RU2210762C2 - Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor - Google Patents
Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2210762C2 RU2210762C2 RU2001124017A RU2001124017A RU2210762C2 RU 2210762 C2 RU2210762 C2 RU 2210762C2 RU 2001124017 A RU2001124017 A RU 2001124017A RU 2001124017 A RU2001124017 A RU 2001124017A RU 2210762 C2 RU2210762 C2 RU 2210762C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- value
- time
- methane
- signal
- sensor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерений метана в атмосфере угольных шахт. Способ ориентирован на применении его в шахтных газоанализаторах, основанных на термохимическом (термокаталитическом) принципе с использованием каталитически активных чувствительных элементов пелисторного типа с диффузионным подводом анализируемой смеси. The invention relates to techniques for measuring methane in an atmosphere of coal mines. The method is focused on its use in mine gas analyzers based on the thermochemical (thermocatalytic) principle using catalytically active sensitive elements of the pelistor type with a diffusion supply of the analyzed mixture.
Шахтные газоанализаторы, основанные на термокаталитическом принципе, нашли широкое применение как в нашей стране, так и за рубежом. Например, в бывшем СССР на 400 угольных шахтах постоянно находились в эксплуатации порядка 25000 стационарных, около 90000 переносных и более 150000 индивидуальных метанометров. Аналогичные масштабы применения термокаталитических метанометров характерны для всех стран с развитой угольной промышленностью (Китай, США, Австралия, Польша и др.). Mine gas analyzers based on the thermocatalytic principle have found wide application both in our country and abroad. For example, in the former USSR, about 25,000 stationary, about 90,000 portable and more than 150,000 individual methanometers were constantly in operation at 400 coal mines. The similar scale of application of thermocatalytic methanometers is characteristic for all countries with developed coal industry (China, USA, Australia, Poland, etc.).
Основными достоинствами, определившими широкое применение термокаталитических газоанализаторов для контроля метана в рудничной атмосфере, являются: простота принципиальных и конструкторских решений как первичных преобразователей (чувствительных элементов), так и датчика в целом; высокая избирательность (реагирует только на горючие газы); высокий выходной сигнал первичного преобразователя; небольшие массогабаритные параметры датчика; сравнительно малое потребление электрической энергии, исключающее проблемы с обеспечением искробезопасности электрических цепей; диффузионный подвод анализируемой газовой смеси, не требующий применения побудителей; простой способ защиты от влияния пыли и скорости воздушных потоков с помощью металлокерамических газообменных фильтров. The main advantages that have determined the widespread use of thermocatalytic gas analyzers for monitoring methane in a mine atmosphere are: the simplicity of the fundamental and design solutions of both primary converters (sensitive elements) and the sensor as a whole; high selectivity (reacts only to combustible gases); high output signal of the primary converter; small overall dimensions of the sensor; relatively low consumption of electrical energy, eliminating the problems with intrinsic safety of electrical circuits; diffusion supply of the analyzed gas mixture that does not require the use of stimulants; A simple way to protect against the effects of dust and air velocity with ceramic-metal gas exchange filters.
Главным недостатком термокаталитических первичных преобразователей является постепенная потеря чувствительности вследствие структурных изменений каталитически активной поверхности чувствительного элемента при его длительной работе в шахтной атмосфере. Как показал опыт эксплуатации, полная потеря чувствительности происходит за отрезок времени, исчисляемый от нескольких месяцев до нескольких лет. Этот недостаток является принципиальным и обусловлен химической природой процесса первичного преобразования (взаимодействия между поверхностью каталитически активного чувствительного элемента и анализируемыми газами). Такое химическое взаимодействие на атомно-молекулярном уровне приводит к постепенному изменению структуры поверхности чувствительного элемента, усугубляемое в шахтных условиях наличием паров кислотных и щелочных подземных вод, а также микродоз газов, являющихся "ядами" для катализаторов - H2S, SO2, пары силиконовых соединений техногенного происхождения (перегрев обмоток электродвигателей, имеющих провода с покрытиями на основе силиконовых соединений).The main disadvantage of thermocatalytic primary converters is the gradual loss of sensitivity due to structural changes in the catalytically active surface of the sensing element during its long-term operation in the mine atmosphere. As shown by operating experience, a complete loss of sensitivity occurs over a period of time calculated from several months to several years. This drawback is fundamental and is due to the chemical nature of the primary conversion process (the interaction between the surface of the catalytically active sensing element and the analyzed gases). This chemical interaction at the atomic-molecular level leads to a gradual change in the surface structure of the sensing element, aggravated in mine conditions by the presence of acid and alkaline groundwater vapors, as well as microdoses of gases, which are "poisons" for catalysts - H 2 S, SO 2 , silicone vapor compounds of technogenic origin (overheating of the windings of electric motors having wires with coatings based on silicone compounds).
Известен способ измерения (аналог), относящийся к динамическим методам измерения [1], который в значительной степени улучшает характеристики мостовых измерительных схем, работающих в статическом режиме. При этом способе о содержании метана судят не по абсолютному значению сигнала мостовой измерительной схемы, а по разности сигналов, снимаемых в двух разнесенных во времени точках кривой переходного процесса выгорания (беспламенного окисления) метана внутри реакционной камеры датчика. Эта разность пропорциональна абсолютному содержанию довзрывных концентраций метана в воздухе. Для формирования переходного процесса используют диффузионную головку датчика с пониженной проницаемостью пористой газообменной стенки, а рабочий чувствительный элемент - с производительностью, превышающей величину диффузионного потока, ограниченного проницаемостью газообменной стенки. Переходный процесс выгорания метана формируют путем периодического включения моста на определенный период времени, в течение которого чувствительные элементы прогреваются до рабочей температуры (период тепловой релаксации), а снятие информации о содержании концентрации метана производят в начальной стадии диффузионной релаксации после окончания периода тепловой релаксации, затем по завершению процедуры снятия информации цикл сразу прерывают и очередной цикл возобновляют после установления в реакционной камере концентрационного равновесия с окружающей средой. По сравнению со статическим методом динамический метод позволяет избавиться от аддитивной погрешности, обусловленной дрейфом нулевых показаний моста, а благодаря циклическому питанию существенно сократить энергопотребление. A known measurement method (analogue) relating to dynamic measurement methods [1], which greatly improves the characteristics of bridge measuring circuits operating in static mode. In this method, the methane content is judged not by the absolute value of the signal of the bridge measuring circuit, but by the difference of the signals taken at two points of the transient burn-out (flameless oxidation) curve of methane inside the sensor’s reaction chamber. This difference is proportional to the absolute content of pre-explosive methane concentrations in air. To form a transient process, a diffusion head of the sensor with a reduced permeability of the porous gas exchange wall is used, and a working sensitive element with a productivity exceeding the value of the diffusion flow limited by the permeability of the gas exchange wall. The transient burnout of methane is formed by periodically turning on the bridge for a certain period of time, during which the sensitive elements warm up to operating temperature (period of thermal relaxation), and information on the concentration of methane is removed at the initial stage of diffusion relaxation after the end of the thermal relaxation period, then Upon completion of the procedure for taking information, the cycle is immediately terminated and the next cycle is resumed after the concentration of avnovesiya with the environment. Compared to the static method, the dynamic method allows you to get rid of the additive error caused by the drift of the zero readings of the bridge, and due to the cyclic power supply, significantly reduce energy consumption.
Недостаток в том, что мультипликативная составляющая погрешности, определяемая структурными изменениями чувствительного элемента все равно накапливается и требует периодической метрологической поверки с помощью ПГС, хотя и с более длительными межповерочными интервалами. The disadvantage is that the multiplicative component of the error, determined by the structural changes of the sensitive element, nevertheless accumulates and requires periodic metrological verification with the help of ASD, although with longer inter-verification intervals.
Известен другой способ [2] диагностического контроля термокаталитического датчика шахтных систем телеизмерения концентрации метана и автоматической газовой защиты (прототип) включающий тестовое воздействие, формирующее переходной процесс в датчике, каталитический преобразовательный элемент которого установлен в газопроницаемой реакционной камере с ограниченным диффузионным доступом через пористую газообменную сетку, измерение параметров этого процесса и определение по полученным данным работоспособности датчика, отличающийся тем, что с целью дистанционного выполнения диагностического контроля датчика без применения калиброванных газовых смесей и механического воздействия на реакционную камеру на датчик подают напряжение питания, при котором температура разогрева термопреобразовательного элемента недостаточна для термокатализа, проверяют электрический нуль и при соответствии состава среды в реакционной камере составу контролируемой атмосферы скачкообразно повышают напряжение питания датчика до рабочего значения и измеряют изменение выходного сигнала в зависимости от времени. There is another method [2] for diagnostic monitoring of a thermocatalytic sensor of mine systems for measuring methane concentration and automatic gas protection (prototype) including a test action that forms a transient in the sensor, the catalytic converter element of which is installed in a gas-permeable reaction chamber with limited diffusion access through a porous gas exchange network, measuring the parameters of this process and determining, based on the received data, the operability of the sensor, differing in we note that in order to remotely perform diagnostic monitoring of the sensor without calibrated gas mixtures and mechanically acting on the reaction chamber, a voltage is applied to the sensor at which the heating temperature of the thermoconversion element is insufficient for thermocatalysis, electric zero is checked, and if the composition of the medium in the reaction chamber matches the composition controlled atmospheres abruptly increase the sensor supply voltage to the operating value and measure the change in the output signal depending on the time.
Преимущество способа заключается в том, что для определения дрейфа нуля не требуется продувка реакционной камеры чистым воздухом, достаточно снизить напряжение питания датчика, при котором не происходит каталитического окисления и проверить нулевые показания в среде, содержащей метано-воздушную смесь. Другим преимуществом является возможность определения погрешности, обусловленной изменением чувствительности с помощью любой некалиброванной метано-воздушной смеси, содержащейся в анализируемой среде в диапазоне измерений без применения калиброванной ПГС. The advantage of the method is that to determine the zero drift it is not necessary to purge the reaction chamber with clean air, it is enough to reduce the supply voltage of the sensor at which catalytic oxidation does not occur and check the zero readings in a medium containing a methane-air mixture. Another advantage is the ability to determine the error due to a change in sensitivity using any uncalibrated methane-air mixture contained in the analyzed medium in the measurement range without the use of calibrated ASG.
Недостатки: сложность проведения поверочных операций, производимых с помощью ЭВМ, устанавливаемой в пульте управления на поверхности, длительность поверочной операции достигает 10 минут, достоверными являются только такие поверочные операции, при которых в процессе поверки концентрация в анализируемой среде остается неизменной, поэтому процесс проводится в ремонтные смены (один раз в сутки), когда на участке, где установлен стационарный метанометр, горные машины и механизмы не работают и содержание метана в анализируемой атмосфере не меняется. Disadvantages: the complexity of verification operations performed using a computer installed in the control panel on the surface, the duration of the verification operation reaches 10 minutes, only such verification operations are reliable, during which the concentration in the analyzed medium remains unchanged, so the process is carried out in repair shifts (once a day) when in the area where the stationary methanometer is installed, mining machines and mechanisms do not work and the methane content in the analyzed atmosphere is not is getting married.
Целью настоящего изобретения является повышение точности показаний за счет придания способу измерений, основанному на использовании динамического (циклического) режима работы термокаталитического датчика метана дополнительных функций, позволяющих одновременно с дифференциальным измерением производить, в каждом единичном цикле, оценку погрешности показаний при любой некалиброванной (в диапазоне измерений) метано-воздушной смеси, содержащейся на момент выполнения цикла в анализируемой атмосфере, с последующим формированием команды по алгоритму, вытекающему из оценки погрешности, для производства коррекции показаний программным путем с помощью средств компьютерной техники. The aim of the present invention is to increase the accuracy of the readings by imparting a measurement method based on the use of the dynamic (cyclic) mode of operation of the thermocatalytic methane sensor to additional functions that allow, simultaneously with differential measurement, to produce, in each unit cycle, an estimation of the error of readings for any uncalibrated (in the measurement range ) methane-air mixture contained at the time of the cycle in the analyzed atmosphere, followed by the formation of commands according to the algorithm, as derived from error estimates to produce indications correction by software by means of computer equipment.
Поставленная цель достигается тем, что используют известный динамический способ измерения, включающий циклическое измерение довзрывных концентраций метана на рабочем каталитически активном чувствительном элементе в реакционной камере с ограниченным диффузионным доступом анализируемой метано-воздушной смеси и определение сигнала о концентрации метана по значению разности сигналов, снимаемых в фиксированных по времени точках переходного процесса циклического выжигания, и отличающегося тем, что с целью повышения точности измерения и исключения погрешности показаний, превышающей нормируемое значение в каждом цикле совмещают процесс измерения с оценкой погрешности и в случае превышения последней предельно допустимого значения производят корректировку показаний, при этом все операции по измерению, оценке погрешности и корректировке показаний осуществляют в следующей последовательности: при первоначальной градуировке датчика за исходную градуировочную характеристику принимают отрезок времени ΔТ, определяемый в период газообменной релаксации как разницу между первой строго фиксированной по времени T1 точкой на кривой переходного процесса S=f(Т) и второй точкой Т2 в момент, когда величина сигнала S1 (при T1) снизится до нормируемого значения S2, составляющего n% (95÷55%) от S1 (например, 90%), затем во всех последующих рабочих циклах измерения определяют разницу сигналов ΔS' между сигналом S'1 при T1 и S'2 при T'2, где Т2 - время, при котором величина выходного сигнала снизится на n% (например, 90% S'1), сравнивают ΔТ с ΔТ' и если ΔT'=T1-T'2 отличается от градуировочной характеристики ΔT на величину, превышающую нормируемое значение, осуществляют корректировку показаний в соответствии с зависимостью
ΔSскорр = ΔS′(ΔT′/ΔT).
Сущность способа поясняется примером.This goal is achieved by using the well-known dynamic measurement method, which includes cyclic measurement of pre-explosive methane concentrations on a working catalytically active sensing element in a reaction chamber with limited diffusion access of the analyzed methane-air mixture and determining the methane concentration signal from the value of the difference of signals recorded in fixed time points of the transition process of cyclic burning, and characterized in that in order to improve the measurement accuracy and exceptions for the error of readings in excess of the normalized value in each cycle, combine the measurement process with an estimate of the error and if the last maximum permissible value is exceeded, the readings are adjusted, and all operations for measuring, estimating the error and correcting the readings are carried out in the following sequence: when the sensor is initially calibrated for the initial calibration characteristic take the time interval ΔT, determined during the gas exchange relaxation as the difference between First strictly fixed time T 1, the point on the curve transition S = f (T) and a second point T2 when the value of the signal S 1 (T 1) to fall to the rated value S 2 constituting the n% (95 ÷ 55 %) from S 1 (for example, 90%), then in all subsequent measurement cycles the difference between the signals ΔS 'between the signal S' 1 at T 1 and S ' 2 at T' 2 is determined, where T 2 is the time at which of the output signal decreases by n% (for example, 90% S ' 1 ), ΔT is compared with ΔT' and if ΔT '= T 1 -T' 2 differs from the calibration characteristic ΔT by an amount exceeding the normalized value my value, adjust the readings in accordance with the dependence
ΔS scorr = ΔS ′ (ΔT ′ / ΔT).
The essence of the method is illustrated by example.
Пример. Предлагаемый способ измерения с параллельной коррекцией показаний (в случае изменения чувствительности) базируется на известном явлении окисления (выгорания) метана на чувствительном элементе в закрытом объеме [3], суть которого заключается в том, что количество выделившегося тепла при сжигании одной и той же концентрации метана не зависит от каталитической активности чувствительного элемента и определяется только временем выгорания. Чем активнее чувствительный элемент, тем быстрее выгорит метан, поэтому при экспоненциальном законе процесса выгорания по постоянной времени экспонент можно судить об изменении чувствительности датчика, а вычислив площадь под экспонентой, - определить концентрацию метана. Example. The proposed measurement method with parallel correction of readings (in case of sensitivity changes) is based on the well-known phenomenon of methane oxidation (burning) on a sensitive element in a closed volume [3], the essence of which is that the amount of heat generated during combustion of the same methane concentration It does not depend on the catalytic activity of the sensitive element and is determined only by the burnup time. The more active the sensing element, the faster methane burns out, therefore, with the exponential law of the burnout process, the exponents can be used to judge the change in the sensitivity of the sensor, and by calculating the area under the exponent, the methane concentration can be determined.
Реализовать такой способ в чистом виде технически сложно, поэтому в предлагаемом варианте использования указанной идеи необходимую информацию как о действительном значении концентрации метана, так и об изменении постоянной времени (или адекватной ей временной характеристики) получают, помещая чувствительный элемент в реакционную камеру с ограниченным диффузионным доступом в нее анализируемой метано-воздушной смеси, например, через калиброванное отверстие в стенке реакционной камеры, а процедуру открывания и закрывания реакционной камеры имитируют циклическим режимом работы датчика, подавая с определенной скважностью кратковременные импульсы тока (стабилизированного по напряжению или току) на чувствительный элемент, чередуя их паузами, превышающими длительность импульса в несколько раз. При этом при подаче импульса происходит частичное выжигание (имитация режима работ в закрытом объеме), а во время паузы - выравнивание концентраций, участвующих в реакции газов внутри и снаружи реакционной камеры. Схематически устройство термокаталитического датчика представлено на фиг.1. Здесь: чувствительный элемент - 1; реакционная камера - 2; калиброванное отверстие - 3. В свою очередь чувствительный элемент (фиг.2) включает нагревную платиновую спираль (4) с керамическим покрытием из γ-Аl2О3, на которое нанесен каталитически активный слой из тонкодисперсной Pt и Pd (5); токоподводящие концы спирали (6) прикреплены к металлическим стойкам (7), установленным в изоляционной колодке (8), которая является одной из стенок реакционной камеры (в нашем случае - дном). Другие стенки реакционной камеры выполнены в виде металлического колпачка с калиброванным отверстием в его верхней части.It is technically difficult to implement such a method in its pure form, therefore, in the proposed use of this idea, the necessary information is obtained both on the actual value of the methane concentration and on the change in the time constant (or an adequate time characteristic) by placing the sensitive element in a reaction chamber with limited diffusion access into it the analyzed methane-air mixture, for example, through a calibrated hole in the wall of the reaction chamber, and the procedure for opening and closing the reaction amers mimic a cyclic mode of operation of the sensor, giving a certain porosity short current pulses (stabilized voltage or current) to the sensing element, alternating pauses, pulse duration exceeding several times. In this case, when a pulse is applied, partial burning out occurs (imitation of the operation mode in a closed volume), and during a pause, the concentrations involved in the gas reaction inside and outside the reaction chamber are equalized. Schematically, the thermocatalytic sensor device is presented in figure 1. Here: a sensitive element - 1; reaction chamber - 2; calibrated hole - 3. In turn, the sensing element (figure 2) includes a heating platinum spiral (4) with a ceramic coating of γ-Al 2 O 3 , on which a catalytically active layer of finely dispersed Pt and Pd (5) is deposited; the current-carrying ends of the spiral (6) are attached to metal posts (7) installed in an insulating block (8), which is one of the walls of the reaction chamber (in our case, the bottom). Other walls of the reaction chamber are made in the form of a metal cap with a calibrated hole in its upper part.
Датчик испытывался на стенде, оборудованном газовой измерительной камерой КИМ-1 с встроенным метанометром, ежесменно поверяемым калиброванными ЛГС. Погрешность создаваемых в камере КИМ-1 метано-воздушных смесей были не хуже +0,04% об. долей СН4. Стенд включал также регулируемый источник питания, цифровой мультиметр (U, I, R), электронный блок, обеспечивающий импульсный режим питания, снятие и усиление сигнала, подачу его в компьютер через встроенный аналого-цифровой преобразователь L-Card с последующей обработкой и представлением информации в графической и цифровой форме на мониторе компьютера с распечаткой на принтере.The sensor was tested on a test bench equipped with a KIM-1 gas measuring chamber with a built-in methanometer that is checked every week by calibrated LGS. The error of methane-air mixtures created in the KIM-1 chamber was no worse than + 0.04% vol. shares of CH 4 . The stand also included an adjustable power supply, a digital multimeter (U, I, R), an electronic unit that provides a pulsed power supply, removes and amplifies the signal, feeds it into the computer through the built-in analog-to-digital converter L-Card with subsequent processing and presentation of information in graphic and digital form on a computer monitor with a printout on a printer.
Для осуществления операций по измерению и диагностированию на датчик подавалось импульсное питание: длительность импульса 2 с, паузы 8 с, полный цикл 10 с (фиг.3). Для определения рабочей длительности импульса сначала при продолжительности импульса 5 с были сняты характеристики переходных процессов при различных концентрациях метана и было установлено, что за 5 с в реакционной камере завершается переходный процесс (фиг.4), при этом выявлено, что для выбранных параметров датчика (определяющий размер чувствительного элемента 0,3 мм, объем реакционной камеры 35 мм3, диаметр калиброванного отверстия в стенке реакционной камеры 0,7 мм) наиболее информативным участком для реализации процессов динамического измерения и диагностики является отрезок кривой переходного процесса в интервале 1÷2 с. Отсюда следует, что длительность импульса в 2 с вполне достаточна, чтобы провести необходимые измерения. Как видно из фиг.4, весь переходный процесс можно разбить по времени на 3 участка: от Т0 до Т1 - часть периода тепловой релаксации, связанный с нагревом чувствительного элемента электрическим током до рабочей температуры порядка 450-500oС; от Т1 до Т2 - другая часть периода тепловой релаксации, связанная с повышением температуры чувствительного элемента, обусловленным началом горения на нем метана. В момент времени Т2 заканчивается период тепловой релаксации и начинается период газообменной (диффузионной) релаксации, который продолжается до конца переходного процесса - Т3. Переходный процесс отражает следующие физические процессы, происходящие в датчике. В момент Т0 реакционная камера заполнена концентрацией метана, равной концентрации метана в анализируемой атмосфере, в интервале Т0-Т1, горения нет и концентрация СН4 сохраняется той же, что была при Т0, диффузионный поток через калиброванное отверстие отсутствует. После достижения рабочей температуры (момент Т1) на чувствительном элементе начинается горение, концентрация метана в реакционной камере уменьшается. Одновременно через калиброванное отверстие в камеру начинает поступать диффузионный поток, пропорциональный разности концентраций СН4 внутри и снаружи реакционной камеры. Диаметр калиброванного отверстия подбирают так, что диффузионный поток не компенсирует полностью убыль концентрации СН4 в реакционной камере за счет его горения на чувствительном элементе, поэтому в момент времени Т2 не происходит стабилизация выходного сигнала, а начинается его снижение как следствие выгорания оставшейся в камере концентрации метана и того ограниченного диффузионного потока СН4, который продолжает поступать через калиброванное отверстие. С момента времени T2 начинается газообменный (диффузионный) период релаксации, который заканчивается в момент времени Т3 при установлении статического режима работы датчика, при котором величина сигнала для каждой концентрации метана определяется количеством метана, поступающим через калиброванное отверстие в единицу времени. На отрезке времени Т2÷Т3 характеристика переходного процесса представляет собой сумму двух экспонент. Одна - экспоненциальный закон выгорания метана, другая - экспоненциальный закон поступления СН4 в камеру.To carry out measurement and diagnostic operations, a pulse power supply was applied to the sensor: pulse duration 2 s, pause 8 s, full cycle 10 s (Fig. 3). To determine the working pulse duration, first, at a pulse duration of 5 s, the characteristics of transients at various concentrations of methane were taken and it was found that in 5 s the transition process was completed in the reaction chamber (Fig. 4), and it was found that for the selected sensor parameters ( determining the size of the sensing element 0.3 mm, the volume of the reaction chamber 35 mm 3 , the diameter of the calibrated hole in the wall of the reaction chamber 0.7 mm) the most informative area for the implementation of dynamic processes about measurement and diagnostics is a segment of the transient curve in the
Используемый в настоящем предложении динамический метод измерения базируется на определении разности сигналов между двумя фиксированными во времени точками кривой переходного процесса в период газообменной (диффузионной) релаксации. Эта разность сигналов, как установлено практикой, прямо пропорциональна концентрации метана и подобный метод используется в выпускаемых промышленностью приборах. The dynamic measurement method used in this proposal is based on determining the difference between the signals between two time-fixed points of the transient curve during the period of gas exchange (diffusion) relaxation. This difference in signals, as established by practice, is directly proportional to the concentration of methane and a similar method is used in industrial devices.
Отличие предлагаемого способа поясняется на части кривой переходного процесса, изображенной на фиг.5. Здесь время T1 (сигнал S1) также является величиной фиксированной. Выбор значения Т2 (сигнал S2) производится при первоначальной градуировке датчика и соблюдении обязательного условия, что величина сигнала S2 при Т2 меньше сигнала S1 при T1 на строго определенное значение, составляющее n% от S1 при T1 (например, 90% S1) при этом значение ΔT= (T2-T1) принимают за основную градуировочную характеристику датчика, а по величине ΔS=S1-S2 определяют градуировочное значение концентрации СН4.The difference of the proposed method is illustrated in part of the transient curve shown in Fig.5. Here, the time T 1 (signal S 1 ) is also a fixed value. The choice of the value of T 2 (signal S 2 ) is made upon initial calibration of the sensor and the mandatory condition that the value of signal S 2 at T 2 is less than the signal S 1 at T 1 by a strictly defined value that is n% of S 1 at T 1 (for example , 90% S 1 ) the value ΔT = (T 2 -T 1 ) is taken as the main calibration characteristic of the sensor, and the calibration value of the concentration of CH 4 is determined by the value ΔS = S 1 -S 2 .
Характеристики переходных процессов (фиг.6) снятые для различных концентраций метана свидетельствуют, что выбранная в качестве градуировочной характеристики величина ΔT при относительно малом значении (T2-Т1) и сравнительно прямолинейном участке изменения сигнала S, подчиняющемуся правилу кусочно-линейной апроксимации, как и постоянная времени чистой экспоненты, с достаточной для практических целей точностью не зависит от концентрации метана и остается постоянной при неизменных значениях каталитической активности чувствительного элемента, объеме реакционной камеры и диаметре эквивалентного отверстия в стенке реакционной камеры.The characteristics of the transient processes (Fig. 6) taken for various methane concentrations indicate that the ΔT value selected as a calibration characteristic at a relatively small value (T 2 -T 1 ) and a relatively rectilinear section of the signal S, obeying the piecewise-linear approximation rule, as and the time constant of the pure exponent, with sufficient accuracy for practical purposes, does not depend on the methane concentration and remains constant at constant values of the catalytic activity of the sensitive ementa, the reaction chamber volume and the equivalent diameter holes in the reaction chamber wall.
В случае изменения чувствительности датчика, например, за счет частичной потери активности чувствительного элемента (наиболее характерная причина изменения чувствительности датчика) характеристика переходного процесса (фиг. 6), снятая для датчика после пребывания его в метано-воздушной среде с концентрациями 1,02 и 2,48% об. долей СН4 и парами силиконовых соединений, являющихся "ядом" для чувствительного элемента, свидетельствует, что по сравнению с градуировочными характеристиками снизилось значение сигнала S'1 в момент времени T1; увеличилось значение ΔT' - времени, в течение которого сигнал S'1 снизился до S'2, составляющего 0,9 S'1; снизились соответственно значения S'2 и ΔS' (см. таблицу 1).In the case of a change in the sensitivity of the sensor, for example, due to a partial loss of activity of the sensitive element (the most typical reason for the change in the sensitivity of the sensor), the transient response (Fig. 6), taken for the sensor after being in methane-air medium with concentrations of 1.02 and 2 , 48% vol. fraction of CH 4 and pairs of silicone compounds, which are the “poison” for the sensing element, indicates that, compared with the calibration characteristics, the signal S ' 1 decreased at time T 1 ; the value of ΔT 'increased - the time during which the signal S' 1 decreased to S ' 2 of 0.9 S'1; the values of S ' 2 and ΔS' decreased respectively (see table 1).
Выделяем участок характеристик переходного процесса, ограниченный временем T1 с одной стороны и Т2 и Т'2 - с другой (фиг.7). Пользуясь правилом линейно-кусочной апроксимации, определим площади прямоугольных треугольников F1 и F2, образованных соответственно ΔS, ΔT и линеаризованным отрезком кривой переходного процесса градуировочной кривой S=f(T) и ΔS', ΔT' и линеаризованным отрезком кривой переходного процесса S'=f(T). Сравним значения F1 и F2 для значений концентраций 1,02% СН4 и 2,48% СН4 и подтвердим правомерность исходного положения об идентичности определения концентрации метана на ограниченном участке кривой переходного процесса с известным способом определения концентрации метана при полном выгорании метана в закрытом объеме. Данные сводим в таблицу 2.Select a portion of the characteristics of the transient process, limited by the time T 1 on the one hand and T 2 and T ' 2 on the other (Fig. 7). Using the rule of linear piecewise approximation, we determine the areas of right-angled triangles F 1 and F 2 formed respectively by ΔS, ΔT and the linearized segment of the transition curve of the calibration curve S = f (T) and ΔS ', ΔT' and the linearized segment of the transition curve S ' = f (T). Let us compare the values of F 1 and F 2 for the values of the concentrations of 1.02% CH 4 and 2.48% CH 4 and confirm the validity of the initial position on the identity of determining the concentration of methane in a limited section of the transition curve with a known method for determining the concentration of methane with complete burnup of methane in closed volume. The data is summarized in table 2.
Как видно из таблицы 2, с достаточной для практики точностью можно приравнять F1=F2 и так как искомой является величина ΔS, измеренными величинами - ΔS', ΔT', a ΔT является неизменной градуировочной характеристикой, тогда из равенства
1/2(ΔTΔS) = 1/2(ΔT′ΔS′)
определяем действительное значение концентрации метана
ΔS = ΔS′(ΔT′/ΔT).
В таблицу 3 сведены данные по определению ΔS для концентраций 1,02% и 2,48% СН4 по замеренным значениям ΔS', ΔT' и известной величине ΔT.As can be seen from Table 2, with accuracy sufficient for practice, we can equate F 1 = F 2 and since the desired value is ΔS, the measured values are ΔS ', ΔT', and ΔT is an invariable calibration characteristic, then from the equality
1/2 (ΔTΔS) = 1/2 (ΔT′ΔS ′)
determine the actual value of methane concentration
ΔS = ΔS ′ (ΔT ′ / ΔT).
Table 3 summarizes the data for determining ΔS for concentrations of 1.02% and 2.48% of CH 4 from the measured values of ΔS ', ΔT' and the known value of ΔT.
В рассматриваемом примере погрешность ±δ скорректированного значения ΔSскорр составила всего несколько процентов от действительного значения ΔS. Если же учесть, что в приведенном эксперименте коррекция вводилась когда значение ΔТ' достигло значительной величины, превышающей ΔТ на 24,4%, то при уменьшении разница между ΔТ' и ΔТ до нормируемого значения (например, не превышающей 10%) соответственно уменьшится погрешность.In this example, the error ± δ of the corrected value ΔS scor was only a few percent of the actual value ΔS. If we take into account that in the above experiment, correction was introduced when the ΔТ 'value reached a significant value exceeding ΔТ by 24.4%, then with a decrease in the difference between ΔТ' and ΔТ to a normalized value (for example, not exceeding 10%), the error will accordingly decrease.
Применительно к использованию стационарных термокаталитических датчиков на угольных шахтах предлагаемый способ позволяет исключить трудоемкие процессы по проведению периодических метрологических поверок в месте установки датчиков, высвободить часть обслуживаемого персонала и получить значительный экономический эффект. With regard to the use of stationary thermocatalytic sensors in coal mines, the proposed method eliminates the time-consuming processes of conducting periodic metrological checks at the installation site of the sensors, free some of the staff and get a significant economic effect.
Источники информации
1. А.с. 1627960, СССР. Устройство для измерения содержания горючего газа (Е. Ф.Карпов, Б.И.Басовский, Е.Ш.Ланда). Бюллетень изобретений 6. 15.02.1991 г.Sources of information
1. A.S. 1627960, USSR. A device for measuring the content of combustible gas (E.F. Karpov, B.I. Basovsky, E.Sh. Landa). Bulletin of
2. Патент 4314475, США. Способ поверки термокаталитических датчиков шахтных систем контроля рудничной атмосферы (Е.Ф.Карпов, И.Э.Биренберг, Б.И. Басовский, В.В.Попов). Приоритет 09.02.1982 г. 2. Patent 4314475, USA. A method for checking the thermocatalytic sensors of mine systems for monitoring the mine atmosphere (E.F. Karpov, I.E. Birenberg, B.I. Basovsky, V.V. Popov). Priority 02/09/1982
3. Карпов Е. Ф. Физико-технические основы автоматической защиты от выделения метана. - М.: "Наука", 1981. 3. Karpov EF Physical and technical fundamentals of automatic protection against methane emissions. - M .: "Science", 1981.
Claims (1)
ΔSскорр = ΔS′(ΔT′/ΔT).A method for measuring methane concentration with a thermocatalytic sensor, including cyclic measurement of a signal on a catalytically active sensing element installed in a reaction chamber with limited diffusion access of the analyzed methane-air mixture, and determining the methane concentration from the value of the difference of signals recorded at time-fixed points of the gas exchange relaxation period transition process, characterized in that in each cycle they combine the measurement process with an error estimate, for which, during the initial calibration of the sensor, the time interval ΔТ, defined during the gas exchange relaxation as the difference between the first strictly fixed in time point T 1 on the transient curve S = f (Т) and the second point T 2 at the time when the value the signal S 1 (at T 1 ) will decrease to a normalized value of S 2 , which is n% (95 ÷ 55%) of S 1 , then in all subsequent working measurement cycles, the difference of the signals ΔS 'between the signal S' 1 at T 1 and S is determined '2 at T 2 - the time at which the greatness and the output will decrease by n%, and compared with? T? T ', and when? T' is different from the calibration curve? T by more than the rated value, the adjustment is carried out indications according to the relation
ΔS scorr = ΔS ′ (ΔT ′ / ΔT).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001124017A RU2210762C2 (en) | 2001-09-04 | 2001-09-04 | Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001124017A RU2210762C2 (en) | 2001-09-04 | 2001-09-04 | Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001124017A RU2001124017A (en) | 2003-08-10 |
| RU2210762C2 true RU2210762C2 (en) | 2003-08-20 |
Family
ID=29245772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001124017A RU2210762C2 (en) | 2001-09-04 | 2001-09-04 | Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2210762C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447426C2 (en) * | 2010-07-14 | 2012-04-10 | Евгений Евгеньевич Карпов | Method and apparatus for detecting pre-explosion concentration of methane in air |
| RU2483297C1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Thermochemical sensor |
| RU2526033C1 (en) * | 2013-03-29 | 2014-08-20 | Евгений Федорович Карпов | Aerogas control (agc) over coal mine atmosphere |
| RU2544358C2 (en) * | 2013-07-04 | 2015-03-20 | Елена Евгеньевна Карпова | Method to measure pre-explosive concentrations of flammable gases in air |
-
2001
- 2001-09-04 RU RU2001124017A patent/RU2210762C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447426C2 (en) * | 2010-07-14 | 2012-04-10 | Евгений Евгеньевич Карпов | Method and apparatus for detecting pre-explosion concentration of methane in air |
| RU2483297C1 (en) * | 2011-12-12 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Thermochemical sensor |
| RU2526033C1 (en) * | 2013-03-29 | 2014-08-20 | Евгений Федорович Карпов | Aerogas control (agc) over coal mine atmosphere |
| RU2544358C2 (en) * | 2013-07-04 | 2015-03-20 | Елена Евгеньевна Карпова | Method to measure pre-explosive concentrations of flammable gases in air |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2654380C2 (en) | Method for quantitative analysis of composition of gas mixture and associated measuring device | |
| US20110197649A1 (en) | Self-calibrating gas sensor | |
| US20020050161A1 (en) | Method of identifying a gas and associated apparatus | |
| US20090078587A1 (en) | Method of Sensor Conditioning for Improving Signal Output Stability for Mixed Gas Measurements | |
| US20090188297A1 (en) | Temperature and Humidity Compensated Single Element Pellistor | |
| Ivanov et al. | Methodology for estimating potential explosion hazard of hydrocarbon with hydrogen mixtures without identifying gas composition | |
| US7062952B2 (en) | Combustible gas detector having flow-through sensor container and method for measuring such gases | |
| US7888658B2 (en) | Zirconium dioxide luminescence oxygen sensor | |
| US4134818A (en) | Solid electrolyte sensor for monitoring combustibles in an oxygen containing environment | |
| RU2210762C2 (en) | Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor | |
| JP6071870B2 (en) | Hydrogen oxygen concentration measuring device, hydrogen oxygen concentration measuring system, and hydrogen oxygen concentration measuring method | |
| JPH04231857A (en) | Operating method of measuring circuit device for detecting component of combustible gas | |
| JP5526411B2 (en) | Gas analyzer | |
| Ivanov et al. | Expanding catalytic sensor capabilities to combustible gas mixtures monitoring | |
| US9835574B2 (en) | Gas measurement device and measurement method thereof | |
| Ivanov et al. | Development of an Approach to Increase Hydrogen Measurement Selectivity. | |
| Ivanov et al. | Advanced Data Processing for Monitoring the Explosiveness of Combustible Gas Mixtures | |
| RU2156972C1 (en) | Method determining concentration of combustible gases in oxygen-carrying atmosphere | |
| JP2517228B2 (en) | Gas detector | |
| RU2623828C2 (en) | Method for measuring concentration of combustible gases and vapors in air by diffusion-type thermocatalytic sensor | |
| JPH049574Y2 (en) | ||
| RU2510499C1 (en) | Methane concentration measurement and device to this end | |
| Aleixandre et al. | Comparison of tin dioxide ozone sensor operated in on/off switching temperature cycles and at constant temperature | |
| SU1113728A1 (en) | Method of diagnostic checking of thermocatalytic pickup | |
| RU2279668C1 (en) | Mode of definition of concentration of catalytically oxidized gas in air |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040905 |