SU287395A1

SU287395A1 - THERMOCHEMICAL FLOW GAS SENSOR

Info

Publication number: SU287395A1
Application number: SU1292942A
Authority: SU
Inventors: Н. И. Фурман В. Н. Тарасевич В. Г. Семеновский А. Н. Щербань; Л. Н. Закревска
Original assignee: Институт технической теплофизики Украинской ССР

Description

Изобретение относитс к области газового анализа и нредназначено дл иснользовани в термохимических датчиках горючих газов и паров, примен емых дл контрол довзрывных концентраций в нроизводственной атмосфере.The invention relates to the field of gas analysis and is intended to be used in thermochemical sensors of combustible gases and vapors used for monitoring explosive concentrations in the production atmosphere.

Известны однокамерные датчики, состо щие из двух термопреобразовательных элементов, помещенных в общую термокаталитическую камеру и выполненных в виде полых окисноалюминиевых цилиндров, снабженных специальными (обычно платиновыми) нагревател ми и термометрами сопротивлени . Один из термоэлементов вл етс газочувствительным (каталитически активным) и с этой целью покрываетс мелкодисперсным катализатором, а второй - пассивным и не имеет каталитического покрыти . Активный (измерительный) и пассивный (компенсационный) элементы выполн ютс идентичными по своим геометрическим и электротеиловым параметрам и включаютс в смежные плечи мостовой измерительной схемы, в измерительную диагональ которой включаетс показывающий прибор, градуируемый в процентах анализируемой газовой компоненты. Действие датчика основано на измерении термоэффекта реакции термокатализа на мелкодисперсном катализаторе, получаемого в виде прироста температуры активного термоэлемента, который однозначно и линейно (в онределенном диапазоне значений) св зан с концентрацией анализируемой комнонеиты.Single-chamber sensors are known, consisting of two thermal conversion elements, placed in a common thermocatalytic chamber and made in the form of hollow oxide-aluminum cylinders, equipped with special (usually platinum) heaters and resistance thermometers. One of the thermoelements is gas sensitive (catalytically active) and for this purpose is covered with a finely dispersed catalyst, and the second is passive and does not have a catalytic coating. The active (measuring) and passive (compensating) elements are made identical in their geometrical and electrotheil parameters and are included in the adjacent arms of the bridge measuring circuit, the measuring diagonal of which includes the indicating device calibrated as a percentage of the analyzed gas component. The sensor action is based on the measurement of the thermoelectric effect of the thermocatalysis reaction on a fine catalyst obtained as an increase in the temperature of the active thermoelement, which is uniquely and linearly (in the defined range of values) associated with the concentration of the analyzed roomite.

Указанна конструкци датчика иозвол ет распространить вли ние измер емой величины - концентрации анализируемой газовой компоненты лишь иа один из термоэлементов- активный, а вли ние всех остальных факторов, вл ющихс помехами (колебани температурь; окр жающей среды, наличие сопутствуюЩ1 х газовых компонент и т. п.,), на оба термоэлемента . При этом сигнал, получаемый в измерительной диагонали моста, должен быть свободен от наличи помех, так как вли ние последних взаимно компенсируетс благодар дифференциальному включению активного и компенсационного элементов.The specified sensor design makes it possible to spread the influence of the measured value — the concentration of the analyzed gas component is only one of the thermoelements — active, and the influence of all other factors that are interferences (temperature fluctuations; the environment, the presence of accompanying gas components, and so on. P.,), on both thermoelements. In this case, the signal received in the measuring diagonal of the bridge must be free from the presence of interference, since the influence of the latter is mutually compensated by the differential inclusion of the active and compensation elements.

Из анализа ирИ1щипа действи прототипа очевидио, что в однокамерных датчиках реализован метод пр мого измерени прироста температуры термоэлемеита, обусловленного реакцией термокаталнза, так как каталитическое покрытие имеетс лищь иа одном из. элементов- активном, и дифференциальный (разностный ) метод измерени помех, позвол ющий вычесть вли ние нх на электротепловые параметры активного и компенсационного элементов . При этом, если результатом измерени по первому методу вл етс уровень полезного сигнала датчика, определ ющий крутизну его статической характеристики (5), то но второму - уровень щумов датчика, определ диагонали мостовой схемы датчика, 5 - концентраци измер емой газовой компоненты). Таким образом, выполнение датчика горючего газа по схеме прототипа обеспечивает автокомпепсацию вли ни помех лишь с точки зрени стабилизации нулевого уровн датчика. Что касаетс полезного сигнала датчика, который как и электротепловые параметры термоэлементов также подвержен вли нию помех, то автокомненсаци вли ни на него указанных помех полностью отсутствует из-за использовани пр мого метода измерени . Ошибки датчика обусловлены также спадом активности катализатора в процессе длительной эксплуатации . Следовательно, известные датчики обладают весьма существенным недостатком, выражающимс в отсутствии компенсации вли ни внешних помех на процесс термокатализа. Это обусловливает большие погрешности, причина которых кроетс в используемом в прототипах пр мом методе измерени термоэффекта. Целью предлагаемого изобретени вл етс повышение автокомпенсациониых свойств однокамерных датчиков горючих газов с низкотемиературными катализаторами, нанесенными на активную окись алюмини . Указанна цель достигаетс путем замеры пр мого метода измерени термоэффекта реакции окислени горючей компоненты на катализаторе дифференциальным методом, вл ющимс более предпочтительным с точки зрени уменьшени ошибок измереии . В соответствии с этим дл достижени поставлеиной цели предложено ломнеисационный элемент датчика, также как и измерительный, выполнить активным (газочувствительным ) путем нанесени на его поверхность низкотемпературного катализатора, причем катализатор иа компенсационный элемент должен быть нанесен таким образом, чтобы обеспечить статический коэффициент передачи , несколько меньший от значени такового иа измерительном элементе. На чертеже приведена принципиальна схема предложенного датчика. Датчик состоит из термокаталитической камеры 1, внутри которой размещены измерительный и компенсационный термопреобразовательные элементы 2 н 3, выполненные в виде полых окисноалюминиевых цилиндров. Внутрь каждого нз цилиндров помещены нагреватели 4, соединенные последовательно и питаемые от источника переменного тока, а иа иаружной иоверхиости размепдены платиновые термометры сопротивлени 5, которые включены в смежные плечи ( и R мостовой измерительной схемы 6. Оба термоэлемента покрыты мелкодисперсиым катализатором с таким расчетом, чтобы их статические коэффициенты передачи были отличными друг от друга . где / - ток термометра в момент измерени , Ro - сопротивление термометра при 0°С, (3 - температурный коэффициент сопротивлени термометра. At - прирост температуры термоэлемента , обусловленный беспламенным сжиганием горючего газа, очевидны следующие вариаиты обеспечени различных значений статических коэффициентов передачи измерительного и компенсационного термоэлементов: При одинаковых значени х нараметров /, RQ и р задаютс различные значени и причем Л и А кПри одинаковых значени х /, р и Д/ задаютс различные значенн Ro« ROK , причем При одинаковых значени х /, RQ и Л задаютс различиые значени (5и и рк, причем . При одинаковых значени х I, Rft и Д задаютс различные значени /„ и /к, причем 4 /к. Возможны также комбинированные варианты , представл ющие собой любые из возможных комбинаций указанных вариантов. Рассмотрим более подробно каждый из указанных вариантов. Как известно, прирост температуры термоэлемента при беспламенном (термокаталитическом ) горенни газа зависит от качественного и количественного состава катализатора, нанесенного на носнтель, от пористых свойств (в частности, от удельной поверхности) окиси алюмини , используемой в качестве посител катализатора, и от температуры начального нагрева катализатора. Поэтому возможны три пути получени различных значений на измерительном и компенсационном термоэлементах; а)путем нанесени на носители катализаторов , отличающихс либо качественным составом (например, Pd на измерительном и Pt на компенсацнонном), либо качеством металлической фазы (например, 4% Pd на измерительном и 1% Pi. на компенсационном) при неизменных пористых свойствах носител и одинаковых температурах начального нагрева; б)путем нанесени катализаторов, одииаковых по своему качественному и количественному составу, на носители с различными значени ми удельной поверхности (например, 220 на измерительном и 150 на компенсационном ) и обеснечени одинаковых температур начального нагрева их. При использовании дл измерительного и компенсационного термоэлементов одной и той же окиси алюмини указанное различие в удельных новерхност х может быть достигнуто нутем прока .ливани той части исходной окиси алюмипи , котора идет дл изготовлени , например, измерительных элементов, при высокой температуре (например, 1200°С);It was evident from the analysis of the prototype action of the prototype that single-chamber sensors implemented a method for directly measuring the temperature rise of a thermo-elemiteite due to the reaction of the thermocatal, since the catalytic coating is only one of them. active elements, and a differential (differential) method of measuring interference, which allows subtracting the effect of nx on the electrothermal parameters of the active and compensating elements. At the same time, if the result of the measurement by the first method is the level of the useful signal of the sensor, which determines the steepness of its static characteristic (5), but the second is the level of the sensor noise, the diagonal of the bridge sensor circuit, 5 is the concentration of the measured gas component). Thus, the implementation of the combustible gas sensor according to the prototype scheme provides for autocompletion of the influence of interference only from the point of view of stabilization of the zero level of the sensor. As for the useful signal of the sensor, which, like the electrothermal parameters of thermoelements, is also subject to interference, the autocompensation of the effect of this interference to it is completely absent due to the use of the direct measurement method. Sensor errors are also due to the decline in catalyst activity during long-term operation. Therefore, the known sensors have a very significant drawback, which is expressed in the absence of compensation for the influence of external interference on the process of thermocatalysis. This causes large errors, the cause of which lies in the direct method of measuring the thermal effect used in prototypes. The aim of the invention is to improve the autocompensation properties of single-chamber sensors of combustible gases with low-temperature catalysts deposited on active alumina. This goal is achieved by measuring the direct method of measuring the thermoelectric effect of the oxidation reaction of the combustible component on the catalyst by the differential method, which is more preferable from the point of view of reducing measurement errors. In accordance with this, in order to achieve the intended purpose, it is proposed that the sensor element of the sensor, as well as the measuring element, be made active (gas sensitive) by depositing a low-temperature catalyst on its surface, and the catalyst and the compensation element should be applied in such a way as to ensure a static transmission coefficient that is somewhat smaller on the value of such a measuring element. The drawing shows a schematic diagram of the proposed sensor. The sensor consists of a thermocatalytic chamber 1, inside of which are placed measuring and compensating thermal-conversion elements 2 and 3, made in the form of hollow oxide-aluminum cylinders. Heaters 4, connected in series and powered from an alternating current source, are placed inside each cylinder, and platinum resistance thermometers 5 that are included in the adjacent arms (and R of the bridge measuring circuit 6) are placed in the outer and upper surfaces. Both thermoelements are coated with a finely divided catalyst so that their static transfer coefficients were different from each other, where / is the current of the thermometer at the time of measurement, Ro is the resistance of the thermometer at 0 ° C, (3 is the temperature coefficient of resistance At - temperature increase of the thermoelement, due to the flameless combustion of combustible gas, the following variants are obvious to provide different values of the static transfer coefficients of the measuring and compensating thermoelements: With the same values of R, RQ and p, different values are specified and /, p and D / set different values of Ro "ROK, and for the same values of /, RQ and L, different values are given (5 and pk, moreover. With the same values of I, Rft and D, different values of i are set, and 4 / k. Combined options are also possible, representing any of the possible combinations of these options. Let us consider in more detail each of these options. As is known, the increase in the temperature of a thermoelement during a flameless (thermocatalytic) combustion of a gas depends on the qualitative and quantitative composition of the catalyst deposited on the nose, on the porous properties (in particular, on the specific surface) of alumina used as catalyst catalyst catalyst. Therefore, there are three possible ways to obtain different values on the measuring and compensating thermoelements; a) by applying catalysts on carriers that differ in either qualitative composition (for example, Pd on the measuring and Pt on the compensating), or quality of the metal phase (for example, 4% Pd on the measuring and 1% Pi. on the compensation) with constant porous properties of the carrier and same initial heating temperatures; b) by applying catalysts, odioiac in their qualitative and quantitative composition, to carriers with different specific surface values (e.g., 220 per measurement and 150 per compensation) and bleaching the same initial heating temperatures. When used for measuring and compensating thermoelements of the same alumina, this difference in specific surfaces can be achieved by pumping the part of the original alumina oxide that goes for, for example, measuring elements, at a high temperature (for example, 1200 ° WITH);

катализаторов, идентичных по своему качественному п количественному составу, и нагревани термоэлементов до различных начальных темнератур.catalysts that are identical in their qualitative and quantitative composition, and the heating of thermoelements to different initial temperature patterns.

Последнее достигаетс при изготовленпн нагревателей измерительного и компенсационного элемента из проволок различных материалов , нри применении дл нагревател измерительного элемента более тонкой ироволоки или более плотноГ намотки его нагревательной спирали (уменьшение шага) и ири шунтировании нагревател компенсационного элемента донслнительным внешним сопротивлением (шунтом).The latter is achieved by fabricating the heaters of the measuring and compensating element from wires of various materials, using a thinner windrow or more densely winding its heating coil (decreasing pitch) and shunting the heater of the compensating element with additional external resistance (shunt) for the heater of the measuring element.

Из уравнени дл начального сопротивлени термометра (нри 0°С), имеющего видFrom the equation for the initial resistance of the thermometer (at 0 ° C), having the form

Р - п J - г. О - г )P - n J - g. G - g)

S d ° S d °

где ро - удельное сопротивление . термометраwhere ro is the resistivity. thermometer

при 0°С, - 1) - длина проволокиat 0 ° С, - 1) - wire length

АBUT

термометра, п число витков термометра , IA- длина активной части термоэлемента, t - шаг витков сиирали, /о л1) - длина одного витка спирали, D - диаметр цилиидра термоэлемента (диаметр снирали), d -диаметр проволоки термометра, очевидно, что условие о« Жок может быть достигнуто; путем применени в качестве термометров сопротивлени измерительного и комненсационного элементов проволок с различными значени ми удельного соиротивлеии р;ои и рок, иричем рои Рок ; иутем более плотной намоткн спирали термометра измерительного элемента (уменьшение шага иамотки /„), что обеспечивает увеличение числа витков термометра , и длины проволоки /и; путем изготовлени термометра измерительного элемента из проволоки меньшего, чем на компенсационном диаметра .thermometer, n is the number of thermometer turns, IA is the length of the active part of the thermoelement, t is the pitch of the turns of siirali, / o l1) is the length of one coil of the helix, D is the diameter of the thermoelement cylindrical (diameter is removed) o “Jok can be achieved; by using as the thermometers the resistance of the measuring and offset elements of the wires with different values of the specific co-axis p, oi and rock, and the iRic Roi; and with a more dense winding of the thermometer spiral of the measuring element (reduction of pitch and gauge / „), which provides an increase in the number of turns of the thermometer, and the length of the wire / s; by making a thermometer of the measuring element from a wire smaller than the compensation diameter.

Условие достигаетс путем изготовлени термометра измерительного элемента, например, из платины (Ри 0,0039), а термометра компенсационного элемента, например, из платино-ирриди ПлИ-5 (). Предельным случаем здесь можно рассматриватьThe condition is achieved by making a thermometer of a measuring element, for example, from platinum (Pu 0.0039), and a thermometer of a compensation element, for example, from platinum-irridi PI-5 (). The ultimate case here can be considered

случай при |3и 0, а , т. е. когда термометр компенсационного элемента изготовл етс из металла, сопротивление которого не мен етс с температурой, например из нихромаthe case at | 3 and 0, a, i.e., when the thermometer of the compensation element is made of metal, the resistance of which does not vary with temperature, for example, of nichrome

или константана.or constantan.

Условие достигаетс нутем включени параллельно термометру соиротивлени комиенсациониого элемента дополнительного шунта в виде линейного сонротивлени , ответвл ющего часть тока, нротекающего по термометру , что снижает уровень полезного сигнала , выдел емого на компенсационном элементе .The condition is achieved by switching on in parallel with the thermometer to match the com- munication element of the additional shunt as a linear resistance, branching off part of the current flowing through the thermometer, which reduces the level of the useful signal allocated to the compensation element.

Предмет изобретени Subject invention

Claims

1. A thermochemical sensor for combustible gases, such as methane, containing measurement and

Thermal conversion elements that are made in the form of hollow cylinders of identical geometric dimensions with heaters and resistance thermometers and placed in a common chamber that communicates with the medium being altered, characterized in that, in order to improve the autocompensation properties of the sensor, its compensation thermoelement is equipped with a catalytic coating} 1st and executed with static

transfer ratio other than iia 1zl; p 1gel 1st element.

2. A sensor according to claim 1, characterized in that catalysts with different qualitative or quantitative composition are applied on the surface of the measuring and compensation elements.

J. The sensor according to claim 1, characterized in that the carrier of the measuring and compensation elements is made out of material with a differently-spaced single-sided surface.

4. The sensor according to claim 1. characterized in that. that the heaters and compensation elements are made with distinguished values of electrothermal parameters.

5. The sensor according to claim 1, characterized in that the thermometers with the corresponding measuring and measuring elements are made with different electrical parameters.