RU2242751C1 - Hydrogen gas analyzer - Google Patents
Hydrogen gas analyzerInfo
- Publication number
- RU2242751C1 RU2242751C1 RU2003120042/28A RU2003120042A RU2242751C1 RU 2242751 C1 RU2242751 C1 RU 2242751C1 RU 2003120042/28 A RU2003120042/28 A RU 2003120042/28A RU 2003120042 A RU2003120042 A RU 2003120042A RU 2242751 C1 RU2242751 C1 RU 2242751C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- heater
- housing
- gas analyzer
- heat shield
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам контроля состава газовых смесей и может быть использовано преимущественно для контроля наличия водорода в атмосфере производственных цехов промышленных предприятий, например в помещениях под защитной оболочкой атомных электрических станций (АЭС).The invention relates to means for controlling the composition of gas mixtures and can be used mainly to control the presence of hydrogen in the atmosphere of industrial shops of industrial enterprises, for example, in rooms under the protective shell of nuclear power plants (NPPs).
Известен газоанализатор водорода института автоматики и электроники СО РАН, основанный на измерении электрической емкости структуры металл - диэлектрик - полупроводник, зависящей от объемного содержания водорода в газовой смеси. Этот газоанализатор имеет ограниченный диапазон измерения и ограниченный температурный диапазон работы в силу свойств полупроводниковой структуры чувствительного элемента. Кроме того, полупроводниковая структура не выдерживает условий интенсивного радиационного облучения, которое может иметь место на АЭС.A known hydrogen gas analyzer of the Institute of Automation and Electronics SB RAS, based on measuring the electric capacitance of the metal - dielectric - semiconductor structure, depending on the volumetric content of hydrogen in the gas mixture. This gas analyzer has a limited measurement range and a limited temperature range due to the properties of the semiconductor structure of the sensing element. In addition, the semiconductor structure does not withstand the conditions of intense radiation exposure that can take place at nuclear power plants.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является газоанализатор водорода типа WS 85 фирмы SIEMENS. Газоанализатор WS 85 содержит чувствительный элемент в виде керамической основы, на которой нанесен слой активированной платины. Чувствительный элемент помещен в рабочую камеру с пористой стенкой, проницаемой для газа, и измерителем температуры в камере. Принцип действия рассматриваемого газоанализатора заключается в каталитическом сжигании водорода в воздухе и измерении теплового эффекта реакции, который зависит от концентрации водорода.Closest to the technical nature of the proposed device is a hydrogen gas analyzer type WS 85 company SIEMENS. The WS 85 gas analyzer contains a sensing element in the form of a ceramic base on which a layer of activated platinum is applied. The sensing element is placed in the working chamber with a porous wall permeable to gas and a temperature meter in the chamber. The principle of operation of the gas analyzer under consideration is the catalytic combustion of hydrogen in air and the measurement of the thermal effect of the reaction, which depends on the concentration of hydrogen.
Недостатком каталитического газоанализатора является необходимость присутствия в анализируемой атмосфере достаточного количества кислорода для полного сжигания водорода, что не всегда выполнимо. В частности, при аварийных ситуациях на АЭС воздух может замещаться другими газами и водяным паром. В этих условиях рассматриваемый газоанализатор оказывается неработоспособным. В то же время, основным назначением газоанализаторов водорода для АЭС как раз и является контроль водорода при проектных и запроектных авариях, когда возможно накопление водорода до взрывоопасной концентрации.The disadvantage of a catalytic gas analyzer is the need for the presence in the analyzed atmosphere of sufficient oxygen to completely burn hydrogen, which is not always feasible. In particular, in emergency situations at a nuclear power plant, air can be replaced by other gases and water vapor. Under these conditions, the gas analyzer in question is inoperative. At the same time, the main purpose of hydrogen gas analyzers for nuclear power plants is precisely the control of hydrogen during design and beyond design basis accidents, when hydrogen accumulation to an explosive concentration is possible.
Целью предлагаемого изобретения является преодоление недостатков известных устройств и создание газоанализатора, способного измерять концентрацию водорода в окружающей атмосфере в широком диапазоне вплоть до 100% при высоких температурах и наличии в измеряемой среде посторонних газов, водяного пара, источников радиоактивного излучения.The aim of the invention is to overcome the disadvantages of the known devices and the creation of a gas analyzer capable of measuring the concentration of hydrogen in the surrounding atmosphere in a wide range up to 100% at high temperatures and the presence in the measured medium of foreign gases, water vapor, radiation sources.
Для решения поставленной задачи предлагается в качестве чувствительного элемента газоанализатора использовать проводник из палладия или его сплава с серебром, который обладает способностью избирательно поглощать водород из окружающей газовой смеси и изменять при этом свое электросопротивление. Поглощение палладием водорода - процесс обратимый при температурах более 170°С, относительное изменение сопротивления чувствительного элемента пропорционально парциальному давлению водорода в смеси. Поскольку сплав палладия изменяет свое электросопротивление не только при поглощении водорода, но и при изменении температуры окружающего газа, то температура рабочей камеры чувствительного элемента должна стабилизироваться с высокой точностью, причем температура должна быть одинаковой во всех точках рабочей камеры, в противном случае, при изменении расхода анализируемого газа или его температуры на входе в датчик, будет иметь место изменение температурного поля в камере, что приведет к погрешности показаний газоанализатора.To solve this problem, it is proposed to use a conductor of palladium or its alloy with silver as a sensitive element of the gas analyzer, which has the ability to selectively absorb hydrogen from the surrounding gas mixture and at the same time change its electrical resistance. Absorption of palladium hydrogen is a process reversible at temperatures above 170 ° C, the relative change in the resistance of the sensitive element is proportional to the partial pressure of hydrogen in the mixture. Since the palladium alloy changes its electrical resistance not only with the absorption of hydrogen, but also with a change in the temperature of the surrounding gas, the temperature of the working chamber of the sensing element must stabilize with high accuracy, and the temperature must be the same at all points of the working chamber, otherwise, when the flow rate changes of the analyzed gas or its temperature at the inlet to the sensor, there will be a change in the temperature field in the chamber, which will lead to an error in the readings of the gas analyzer.
Таким образом, предлагаемый газоанализатор должен содержать чувствительный элемент, помещенный в термостабилизированную обогреваемую камеру, измеритель сопротивления чувствительного элемента, систему регулирования температуры камеры. Кроме того, конструкция датчика должна обеспечивать непрерывную подачу анализируемого газа к чувствительному элементу.Thus, the proposed gas analyzer must contain a sensing element placed in a thermostabilized heated chamber, a resistance meter of the sensing element, a temperature control system of the chamber. In addition, the design of the sensor should provide a continuous supply of the analyzed gas to the sensing element.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.The essence of the invention is illustrated in the drawing.
Датчик газоанализатора состоит из несущего трубчатого корпуса 1, внутри которого расположена рабочая камера 2 с чувствительным элементом, состоящим из электроизоляционного основания 3, на котором намотан проводник 4 из палладиевого сплава. С помощью соединительных проводов 5 проводник 4 подключен к электронному блоку 6. Внутри корпуса 1 во входной его части установлен подогреватель газа 7, выполненный в виде теплопроводного вкладыша с каналами 9 для подвода анализируемого газа. В выходной части корпуса 1 размещен тепловой экран 8, также выполненный в виде теплопроводного вкладыша с каналами 9 для отвода газа.The gas analyzer sensor consists of a supporting tubular body 1, inside of which there is a working chamber 2 with a sensing element consisting of an insulating base 3, on which a conductor 4 of palladium alloy is wound. Using connecting wires 5, conductor 4 is connected to the electronic unit 6. Inside the housing 1, a gas heater 7 is installed in its input part, made in the form of a heat-conducting insert with channels 9 for supplying the analyzed gas. In the output part of the housing 1 there is a heat shield 8, also made in the form of a heat-conducting insert with channels 9 for venting gas.
Снаружи корпуса 1 равномерно намотан нагреватель 10, например, из нагревательного жаростойкого кабеля с минеральной изоляцией типа КНМС, на который наложена теплоизоляция 11, закрытая снаружи кожухом 12. Температура корпуса 1 в зоне рабочей камеры 2 измеряется термопарой 13.Outside the housing 1, the heater 10 is evenly wound, for example, from a heat-resistant heating cable with mineral insulation of the KNMS type, on which a thermal insulation 11 is applied, closed on the outside by a casing 12. The temperature of the housing 1 in the area of the working chamber 2 is measured by a thermocouple 13.
При другом конструктивном исполнении нагреватель может быть изготовлен в виде тонкостенной трубчатой конструкции с запресованной внутри нагревательной спиралью. Нагреватель плотно вставляется внутрь корпуса 1, а затем также плотно внутри нагревателя фиксируются подогреватель газа 7 и тепловой экран 8. Очевидно, в этом случае диаметры подогревателя газа 7 и теплового экрана 8 должны быть меньше внутреннего диаметра корпуса 1 на величину толщины стенки трубчатого нагревателя. Второй вариант нагревателя сложнее в изготовлении, но потребляет из сети меньшую мощность для получения необходимой температуры в рабочей камере 2.With another design, the heater can be made in the form of a thin-walled tubular structure with a heating spiral pressed inside. The heater is tightly inserted inside the housing 1, and then the gas heater 7 and the heat shield 8 are also tightly fixed inside the heater. Obviously, in this case the diameters of the gas heater 7 and heat shield 8 should be less than the inner diameter of the housing 1 by the wall thickness of the tubular heater. The second variant of the heater is more difficult to manufacture, but consumes less power from the network to obtain the required temperature in the working chamber 2.
Устройство работает следующим образом. Датчик крепится вертикально входным каналом вниз. За счет повышенной температуры газа внутри корпуса 1 осуществляется естественная циркуляция газа через каналы 9 подогревателя газа 7, рабочую камеру 2 с чувствительным элементом и далее через каналы 9 теплового экрана 8 на выход датчика. Таким образом осуществляется доставка анализируемой газовой смеси к проводнику 4 чувствительного элемента. При наличие в смеси водорода сопротивление проводника 4 увеличивается, причем прирост сопротивления пропорционален парциальному давлению водорода, и этот прирост фиксируется электронным блоком 6, содержащим прецизионную схему измерения электросопротивления. Заданная температура в рабочей камере 2 обеспечивается нагревателем 10, закрепленном на корпусе 1 в зоне расположения подогревателя 7, рабочей камеры 2 экрана 8. Постоянная плотность намотки нагревателя 10 для первого варианта нагревателя или постоянный шаг запрессованной спирали для второго варианта обеспечивают равномерное тепловыделение по всей его длине, что является одним из условий создания равномерного температурного поля во всем объеме камеры 2. Другим условием обеспечения равномерного температурного поля является достаточная длина подогревателя газа 7 и теплового экрана 8. В этом случае из камеры 2 не будет осевого теплового потока к холодным концам корпуса 1, соответственно будет отсутствовать градиент температур вдоль оси камеры 2 и обеспечено высокоточное термостатирование чувствительного элемента, состоящего из изолятора 3 и рабочего проводника 4. Практически, для обеспечения необходимого постоянства температуры во всем объеме рабочей камеры, длины подогревателя газа 7 и теплового экрана 8 должны составлять не менее 4-6 их диаметров, а длина обогреваемого участка корпуса 1 должна быть не менее 8-10 его диаметров. Указанные длины подогревателя 7, экрана 8 и обогреваемого участка корпуса 1 обеспечивают прогрев анализируемого газа в зоне рабочей камеры 2 до той же температуры, что и окружающие элементы конструкции датчика, если суммарная площадь сечения каналов 9 будет составлять не более 25% от площади сечения соответственно подогревателя 7 и экрана 8. В противном случае расход газа через датчик будет достаточно большим, и газ не успеет прогреться до равновесной температуры.The device operates as follows. The sensor is mounted vertically with the input channel down. Due to the increased temperature of the gas inside the housing 1, natural gas circulation is carried out through the channels 9 of the gas heater 7, the working chamber 2 with the sensing element and then through the channels 9 of the heat shield 8 to the sensor output. Thus, the analyzed gas mixture is delivered to the conductor 4 of the sensing element. If there is hydrogen in the mixture, the resistance of conductor 4 increases, and the increase in resistance is proportional to the partial pressure of hydrogen, and this increase is fixed by the electronic unit 6, which contains a precision circuit for measuring electrical resistance. The desired temperature in the working chamber 2 is provided by the heater 10, mounted on the housing 1 in the area of the heater 7, the working chamber 2 of the screen 8. The constant density of the winding of the heater 10 for the first variant of the heater or the constant step of the pressed coil for the second variant provides uniform heat emission along its entire length , which is one of the conditions for creating a uniform temperature field in the entire volume of chamber 2. Another condition for ensuring a uniform temperature field is sufficient for ina gas heater 7 and heat shield 8. In this case, there will be no axial heat flow from the chamber 2 to the cold ends of the housing 1, respectively, there will be no temperature gradient along the axis of the chamber 2 and high-precision temperature control of the sensitive element consisting of an insulator 3 and a working conductor 4 will be provided In practice, to ensure the necessary constancy of temperature in the entire volume of the working chamber, the length of the gas heater 7 and the heat shield 8 should be at least 4-6 of their diameters, and the length of the heated part ka casing 1 should be at least 8-10 to its diameter. The indicated lengths of the heater 7, the screen 8 and the heated section of the housing 1 provide heating of the analyzed gas in the zone of the working chamber 2 to the same temperature as the surrounding structural elements of the sensor, if the total cross-sectional area of the channels 9 will not exceed 25% of the cross-sectional area of the heater, respectively 7 and screen 8. Otherwise, the gas flow through the sensor will be large enough, and the gas does not have time to warm up to equilibrium temperature.
Заданная величина температуры в камере 2 обеспечивается системой автоматического регулирования, содержащей термопару 13, подключенную к электронному регулятору 14, и нагреватель 10 на корпусе 1. Для уменьшения тепловых потерь от нагревателя 10 в окружающую среду он закрыт теплоизоляцией 11, снаружи вся конструкция закрыта защитным кожухом 12.The set temperature in the chamber 2 is provided by an automatic control system comprising a thermocouple 13 connected to an electronic controller 14 and a heater 10 on the housing 1. In order to reduce heat loss from the heater 10 into the environment, it is closed by thermal insulation 11, the entire structure is closed by a protective casing 12 .
Использование предполагаемого изобретения позволит создать газоанализатор водорода с высокими метрологическими характеристиками, способный работать на промышленных предприятиях с жесткими условиями эксплуатации, в частности на АЭС.Using the proposed invention will allow you to create a hydrogen gas analyzer with high metrological characteristics, capable of working in industrial enterprises with harsh operating conditions, in particular at nuclear power plants.
Разработка газоанализатора связана с требованиями обеспечения водородной взрывобезопасности атомных станций.The development of a gas analyzer is related to the requirements for ensuring the hydrogen explosion safety of nuclear power plants.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003120042/28A RU2242751C1 (en) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | Hydrogen gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003120042/28A RU2242751C1 (en) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | Hydrogen gas analyzer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2242751C1 true RU2242751C1 (en) | 2004-12-20 |
| RU2003120042A RU2003120042A (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=34388318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003120042/28A RU2242751C1 (en) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | Hydrogen gas analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2242751C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2533100C2 (en) * | 2011-11-15 | 2014-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Danger detector for operation in nuclear field, having heating system for heating typically non-radiation hardened semiconductor components to increase functional service life |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463586C1 (en) * | 2011-06-09 | 2012-10-10 | Открытое акционерное общество "Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит" (ОАО "НКТБ "Феррит") | Hydrogen flow sensor |
-
2003
- 2003-07-08 RU RU2003120042/28A patent/RU2242751C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2533100C2 (en) * | 2011-11-15 | 2014-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Danger detector for operation in nuclear field, having heating system for heating typically non-radiation hardened semiconductor components to increase functional service life |
| US8907801B2 (en) | 2011-11-15 | 2014-12-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Danger detector for operation in nuclear field, having heating system for heating typically non-radiation hardened semiconductor components to increase functional service life |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003120042A (en) | 2005-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3546086A (en) | Device for oxygen measurement | |
| US4170455A (en) | Gas monitoring method and apparatus therefor | |
| US2671337A (en) | Hydrogen analyzer | |
| JPH10221324A (en) | Low-power consuming gas chromatograph system | |
| JP2004500577A (en) | Hydrogen monitoring and removal system | |
| US3927555A (en) | Hydrogen detector system | |
| Kays et al. | Laminar flow heat transfer to a gas with large temperature differences | |
| RU2242751C1 (en) | Hydrogen gas analyzer | |
| US4613482A (en) | Constant temperature heating value measurement apparatus | |
| US4949578A (en) | Flow metering of high temperature gases | |
| Inaba | An adiabatic calorimeter for use at intermediate and higher temperatures The heat capacity of synthetic sapphire (α-Al2O3) from 70 to 700 K | |
| CN109374671B (en) | High-temperature hydrogen concentration measuring element | |
| CN104425044A (en) | Measurement method of hydrogen concentration by using two different sensors | |
| RU66056U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING HYDROGEN CONTENT IN LIQUIDS AND GASES | |
| CN107561117B (en) | Hydrogen sensor based on thermal conduction principle | |
| RU2334979C1 (en) | Device for measurement of hydrogen content in liquids and gases | |
| US3544277A (en) | Dual heat zone pyrolytic furnace | |
| Carter et al. | Calibration and sample-measurement techniques for flow heat-capacity calorimeters | |
| CN207488852U (en) | A kind of gas constant temperature device and detecting system | |
| US2947163A (en) | Material testing apparatus and method | |
| JP2002511939A (en) | Heat dissipation measurement analyzer | |
| US5195358A (en) | Apparatus for measuring water-vapor partial pressure | |
| US2631925A (en) | Apparatus for the continuous analysis of oxygen and hydrogen | |
| US3780564A (en) | Flue gas dew point temperature transducer | |
| EP2340423B1 (en) | A method for inferring temperature in an enclosed volume |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20120807 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20130307 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20141024 |