CC BY
82
© В.И. Романенко, В.И.
Голинько,
В.Е. Фрундин, 2003
УДК622.807
В.И. Романенко, В.И. Голинько, В.Е. Фрундин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КИСЛОРОДА
При разработке газоанализаторов для измерения содержания кислорода в атмосфере, дымовых и пожарных газах в настоящее время применяются в основном термомагнитный и электрохимический методы. Термомагнитные
газоанализаторы достаточно сложны
конструктивно, громоздки, имеют
значительную погрешность от
температуры и давления.
Электрохимические газоанализаторы кислорода с твердыми литиевыми ячейками имеют также ряд серьезных недостатков, для устранения которых применяют сложные схемные и конструктивные решения, что их
значительно усложняет. При этом следует отметить значительное энергопотребление этих
газоанализаторов и влияние давления на результаты измерения.
В [1] предложен способ измерения кислорода термокаталитическим датчиком. Этот метод анализа газов основан на измерении количества тепла, выделяющегося в результате сжигания определяемого компонента на поверхности катализатора, и находит широкое применение для измерения содержания горючих газов (особенно для измерения содержания метана в шахтной метанометрии).
Определение теплового эффекта от реакции окисления осуществляется путем измерения разности напряжений платинового рабочего, на котором происходит каталитическое окисление горючего газа, и сравнительного элементов.
Для обеспечения высоких метрологических характеристик рабочий и сравнительный элементы первичного преобразователя
термокаталитических датчиков
стараются выполнять с одинаковыми геометрическими, электротепловыми и аэродинамическими
характеристиками, что обеспечивает достижения наиболее полной
к омпенсации изменения параметров и состава анализируемой среды. Термокаталитические метанометры отличаются простотой конструкции чувствительных элементов и схемных решений, экономностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, простотой обслуживания и высокими метрологическими характеристиками.
В термокаталитических
метанометрах окисление метана происходит при избытке кислорода (окислителя) и, при сравнительно небольших концентрациях метана, выходной сигнал линейно зависит от его содержания. В предложенном способе анализа кислорода в реакционной камере первичного преобразователя создается избыток горючего вещества, а анализируемая смесь подается с ограниченной скоростью, т.е. лимитирующим компонентом является кислород. Для ограничения диффузии газовой смеси в реакционную камеру использовано калиброванное
отверстие в стенке реакционной камеры, сечение которого определяется, исходя из
необходимости поддержания
избытка горючего компонента при максимально возможном
содержании кислорода в смеси и минимально возможной скорости испарения горючего при
минимальной температуре.
Количество выделяющего тепла и прирост температуры каталитически активного элемента в этом случае пропорциональны содержанию кислорода в анализируемой смеси.
Для реализации предложенного способа необходимо было решить ряд задач, основные их которых: выбрать горючее, разработать термогруппу и определить режим ее работы, разработать конструкцию первичного преобразователя и исследовать влияние температуры, давления, напряжения питания и состава
анализируемой смеси на работу термокаталитического преобразователя кислорода. В качестве чувствительных элементов для газоанализатора кислорода были проверены как серийные термогруппы, применяемые в
стационарных и переносных сигнализаторах метана, так и специально разработанные для термокаталитического преобразователя кислорода.
Температурный режим работы термогруппы в анализаторе
кислорода прежде всего зависит от вида горючего и может существенно отличаться от режима в метанометрах. Так устойчивое
горение водорода наблюдается уже при температуре каталитически активного элемента более 100 оС, близкие температурные режимы подходят и для многих жидких видов топлива, имеющих низкую
температуру воспламенения,
например, бензойный альдегид (205 оС), керосин (235-265 оС), уайт-спирит (270 оС), тяжелые спирты и др.
Температурный режим
термогруппы определяется в первую очередь из условия исключения горения горючего на сравнительном элементе, а также горения газа метана на рабочем элементе, так как последний имеет большую теплопроводную способность по сравнению со многими видами топлива.
В общем случае, при реализации термокаталитического метода
подачу топлива в реакционную камеру можно обеспечить следующими способами:
- испарением горючей жидкости;
- подачей горючего газа из специального баллона;
- электролитическим разложением воды.
Проведенные исследования этих способов подачи топлива показали, что все они могут быть использованы в газоанализаторах, но окончательный выбор зависит от назначения газоанализатора и условий его эксплуатации.
Так, при создании стационарных газоанализаторов для контроля содержания кислорода в атмосфере наиболее предпочтительной
является подача в реакционную камеру водорода, образующегося
при разложении воды в электролитической ячейке. Высокая стабильность подачи водорода, простота управления процессом подачи путем изменения величины тока в электролитической ячейке, чистота продуктов реакции каталитического окисления, ведение ее при низкой температуре элементов, самовосстановление электролита путем поглощения продуктов реакции позволяют создавать газоанализаторы с практически неограниченным
ресурсом работы, обладающие высокими метрологическими
характеристиками.
В разработанном нами газоанализаторе для измерения содержания кислорода в дымовых и пожарных газах принята подача топлива путем испарения горючей жидкости, находящейся в отдельном резервуаре. Подача и испарение жидкости в реакционную камеру осуществляется специальным
фитилем. Одновременно, за счет молекулярной диффузии, в реакционную камеру через калиброванное отверстие подается анализируемая смесь. Через это же отверстие за счет молекулярной и барродиффузии удаляются
продукты горения, а также избыток паров горючей жидкости.
Анализ свойств различных жидкостей, применяемых в качестве топлива в газоанализаторе, выполненный нами с учетом всего комплекса различных, иногда противоречивых требований
(обеспечения насыщения парами горючего реакционной камеры при минимальной рабочей температуре, стабильности концентрации паров
во всем диапазоне температур, теплотворной способности, состава продуктов реакции окисления и др.) и последующая экспериментальная проверка позволили выбрать в качестве топлива для анализатора кислорода конкретные горючие жидкости с температурой
воспламенения ниже 300 оС. При этом напряжение на элементах серийных термогрупп составляет 0,5-0,6 В.
Исследования термокаталитического первичного преобразователя кислорода,
выполненного на базе серийных
термогрупп, с горючими жидкостями с низкой температурой воспламенения в качестве топлива позволили
установить линейность выходной характеристики при напряжении питания мостовой измерительной
схемы 1,0-1,2 В. При больших напряжениях питания наблюдалось окисление паров жидкостей на сравнительном элементе
термогрупп.
Чувствительность термокаталитического датчика
кислорода (величина выходного
сигнала мостовой измерительной
схемы) определяется скоростью
поступления анализируемой газовой смеси в реакционную камеру, которая зависит от размеров
калиброванного отверстиям. При слабом ограничении диффузии
анализируемой газовой смеси и применении серийных
термокаталитических датчиков она может достигать 20 мВ/%О2 и более, что позволяет использовать термокаталитический метод для измерения микроконцентраций кислорода. При создании
газоанализатора для измерения
содержания кислорода в дымовых и
пожарных газах с диапазоном от 0 до 20%, нами выбрана чувствительность около 1,0 мВ/%О2, что обеспечивает длительный ресурс работы
газоанализатора при малом запасе топлива и высокие его метрологические характеристики.
При конструировании
газоанализаторов на основе серийных термокаталитических датчиков с повышенной чувствительностью необходимо использовать в качестве топлива горючие жидкости с более высокими температурами
воспламенения или использовать
специально разработанные
термогруппы для
термокаталитического преобразователя кислорода, что позволяет увеличить напряжение питания мостовой измерительной схемы и соответственно выходной сигнал мостовой измерительной схемы. При необходимости, это позволяет увеличить
чувствительность датчиков в несколько раз.
Для установления
метрологических характеристик термокаталитических газоанализаторов выполнены
исследования влияния давления, температуры и состава
анализируемой атмосферы на их
работу с серийными и специально разработанными термогруппами.
Как указывалось, основным процессом, определяющим
поступление кислорода в
реакционную камеру, является молекулярная диффузия. Согласно кинетической теории газов
коэффициент диффузии обратно пропорционален, а концентрация
газа прямо пропорциональна
давлению анализируемой смеси, что позволяет сделать вывод о
независимости выходного сигнала первичного преобразователя
кислорода от давления. Этот вывод подтвержден экспериментальными исследованиями при помещении
первичного преобразователя в барокамеру. При изменении
давления в барокамере выходной сигнал первичного преобразователя практически не изменялся.
При измерении содержания
кислорода в дымовых и пожарных газах в диапазоне от 0 до 20 об. % состав анализируемой среды может изменяться значительно. Так, при контроле содержания кислорода в дымовых газах содержание углекислого газа может изменяться от нескольких процентов (при сжигании природного газа) до 30-40 об. % (при сжигании доменного газа). В значительных пределах может изменяться и содержание газовых компонент в пожарных газах, особенно содержание углекислого газа и метана в пожарных газах при тушении пожаров методом изоляции пожарных участков в газовых шахтах. Учитывая то, что коэффициент теплопроводности углекислого газа и метана существенно отличаются от теплопроводности воздуха, такие изменения газового состава могут влиять на результаты измерения содержания кислорода.
Как показали исследования газоанализатора с серийными термокатметическим датчиком при подаче в первичный
преобразователь углекислого газа вместо азота нулевые показания смещались (выходной сигнал мостовой измерительной схемы составлял - 0,8-1,0 мВ). При этом смещение нулевых показаний от диоксида углерода было
пропорционально его содержанию в анализируемой смеси. Очевидной
причиной смещения нулевых показаний газоанализатора при изменении теплопроводности
анализируемой смеси являлась неидентичность рабочего и сравнительного элементов
термокаталитического датчика. При изготовлении термогруппы рабочий и сравнительный элементы подбираются с минимальным разбросом величины сопротивления платиновых нагревателей-
термометров сопротивления. Но обеспечить при этом полную идентичность электротепловых характеристик элементов
термогруппы практически
невозможно, что приводит к появлению погрешности от
изменения состава анализируемого газа, а также его температуры. При разработке газоанализатора
кислорода, основанном на термокаталитическом методе, нами были предложены и исследованы методы устранения погрешностей от изменения состава и температуры анализируемой смеси, что позволило практически устранить влияние изменения температуры и газового состава анализируемой смеси на показания
газоанализаторов. Эти методы являются универсальными для тепловых датчиков и могут найти широкое применение также и при разработке термокаталитических и
термокондуктометрических датчиков метана.
Исследования работоспособности и временной стабильности метрологических характеристик
термокаталитического датчика
кислорода, которое осуществлялось нами в течение года в реальных условиях эксплуатации (контроль состава дымовых газов
котлоагрегатов) показали его пригодность для разработки
газоанализаторов. Чувствительность датчика в течение всего срока исследований практически
оставалась неизменной, а
погрешность измерения содержания кислорода не превышала ±0,2 об.%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1500925 МКИ G01N25/22. Способ определения концентрации кислорода в газовой смеси / В.И. Голинько, М.Н. Дудник (СССР), №4171192/31-25. Заявлено 26.11.86. Опубл. 15.08.89. Бюл. № 30 // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 30. - С.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Романенко В.И. — ОАО «Запорожский алюминиевый комбинат».
Голинько Василий Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры аэрологии и охраны труда Национальной горной академии Украины.
Фрундин В.Е. — доцент, кандидат технических наук, Национальная горная академия Украины.
