Воскресенье, 2017-12-17, 10:48 AM
Приветствую Вас Гость | RSS
Главная | Каталог статей | Регистрация | Вход
Категории раздела
Статьи [2]
Вход на сайт
Поиск
Друзья сайта
  • Создать сайт
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика
    SITE LOGO
    Главная » Статьи » Статьи

    РОЛЬ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
    УДК 681.5.08:622.412.13

    В.М. Гингольд, А.И. Бондарчук, В.А. Бублейник, Н.Н. Кузьменко, 
    ДО НИИГД «Респиратор», Днепропетровск, Украина,
    В.Н. Медведев, МакНИИ, Макеевка, Украина 

    РОЛЬ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА В ФОРМИРОВАНИИ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

    Изложены результаты исследований керамического фильтроэлемента термокаталитического датчика метана с размером пор 0,1-5 мкм. Описаны новые свойства датчика, обусловленные использованием этого фильтроэлемента. Сделана попытка раскрыть механизм взаимодействия потока метана с фильтроэлементом.

    Современные термокаталитические датчики, используемые в средствах шахтной метанометрии, должны обеспечивать возможность получения однозначной информации в диапазоне объемных долей метана от 0 до 100 % [1]. Одним из условий обеспечения однозначности является устойчивость датчика к перегрузкам по концентрации метана от 0 до 100 %, включая стехиометрическую (далее – устойчивость). Решению этой задачи посвящена настоящая работа.

    Под устойчивостью датчика понимается сохранение чувствительности, симметрии, динамических свойств, стабильности и отсутствие необратимых изменений после воздействия на него медленно изменяющейся (со скоростью 2…4 %/мин) концентрации метана в пределах от 0 % до 100 % и обратно.
    Объектом исследований является датчик, описанный в работе [2].
    В результате проведенных исследований установлено, что при использовании традиционного фильтроэлемента из металлокерамики с диаметром пор в пределах 20…60 мкм датчик сохраняет устойчивость при чувствительности не более 30…32 мВ/%, что соответствует приросту температуры около 22 оС/%. При более высокой чувствительности наблюдается частичная или полная потеря каталитической активности, нарушение симметрии, образование сажи на поверхности измерительного чувствительного элемента, его растрескивание и осыпание покрытия.
    Собственная чувствительность термогруппы датчика без сколько-нибудь существенного диффузионного барьера составляет около 55…60 мВ/%, что соответствует приросту температуры около 42 оС/%. Применение стандартного фильтроэлемента типа «стакан» из пористой титановой металлокерамики с диаметром пор около 40 мкм позволяет снизить чувствительность до 45 мВ/%, что недостаточно для обеспечения устойчивости.
    Существующие технологии производства металлокерамики, номенклатура и дисперсный состав выпускаемых металлических порошков и возможности прессового оборудования предприятий по выпуску пористых металлокерамических изделий не позволяют снизить диаметр пор ниже 18…20 мкм и решить таким образом задачу устойчивости датчика.
    Поэтому дальнейшее снижение чувствительности датчика при использовании металлокерамического фильтроэлемента возможно лишь за счет снижения площади газопроницаемой поверхности (переход от фильтроэлемента типа «стакан» к фильтроэлементу типа «диск») или введения в конструкцию датчика дополнительного диффузионного барьера (например, в виде шайбы с отверстием определенного диаметра). Однако эти пути являются шагом к переходу от системы газообмена с распределенными параметрами к системе газообмена с сосредоточенными параметрами, что неизбежно ведет к потере динамического качества. Кроме того, исследованиями установлено, что неравномерность газопроницаемости по поверхности реакционной камеры приводит к увеличению дополнительной абсолютной погрешности датчика от изменения скорости потока анализируемой среды на каждые 4 м/сек в пределах от 0 до 8 м/сек (Δν).

    Сравнительные результаты исследований инерционности (τ) и Δν датчика с различными типами фильтроэлементов представлены в таблице 1.

    Таблица 1

    Учитывая данные таблицы 1 и тот факт, что газовые проявления в шахте могут иметь ярко выраженный динамический характер, а скорость вентиляционной струи может достигать 8 м/сек, ограничение газопроницаемой поверхности реакционной камеры датчика нежелательно, а иногда и недопустимо.
    Иной способ снижения чувствительности датчика – снижение активности катализатора путем изменения его химического состава, структуры носителя или концентрации каталитически активных центров на поверхности измерительного чувствительного элемента. Однако этот путь не является эффективным, т.к. снижение активности катализатора неизменно приводит к сокращению ресурса датчика.
    Для решения задачи снижения чувствительности датчика без потери качества (быстродействия, ресурса, инвариантности к воздействию потока анализируемой среды) Институтом проблем материаловедения (ИПМ) НАНУ разработан керамический пористый фильтроэлемент типа «стакан», обеспечивающий требуемое снижение чувствительности датчика в очень широких пределах. Исследование структуры материала пористой керамики разработанного фильтроэлемента выполнено на электронном микроскопе SYPERPROB 723 с увеличением х1000 и х4000 (фотографии структуры керамики фильтроэлемента представлены на рисунке).

    Фотографии структуры материала фильтроэлемента, сделанные с электронного микроскопа

    В результате этого исследования установлено, что диаметр пор фильтроэлемента лежит в пределах 0,1 – 5 мкм.
    Для оценки газопроницаемости фильтроэлемента в принудительном потоке принята величина падения давления на нем ?? при фиксированном значении расхода воздуха (например, 0,4 л/мин).
    Для оценки газопроницаемости фильтроэлемента при диффузионном газообмене на довзрывоопасных концентрациях принят коэффициент передачи k:

    где Sф,S – чувствительности датчика на одной и той же газовой смеси при наличии фильтроэлемента и без него, соответственно.
    Для корректности экспериментов величина S определяется не на открытой термогруппе, а с сетчатым фильтроэлементом, имеющим значение k, очень близкое к единице. Это позволяет исключить непосредственное влияние потока анализируемой среды на чувствительные элементы датчика.
    Результаты оценки газопроницаемости традиционных и разработанных фильтроэлементов представлены в таблице 2.

    Таблица 2

    Анализ результатов исследований показывает, что традиционные и разработанные фильтроэлементы имеют достаточно близкие (одного порядка) показатели газопроницаемости при диффузионном газообмене и принципиально отличающиеся (на два-три порядка) показатели газопроницаемости при принудительном продувании. Этот факт позволил предположить наличие у разработанных фильтроэлементов новых свойств.
    И действительно, дальнейшие исследования показали, что датчик с разработанным фильтроэлементом сохраняет устойчивость при чувствительности до
    38 мВ/%, что соответствует приросту температуры до 37 оС/% (в то время как с традиционными фильтроэлементами устойчивость сохраняется при чувствительности до 32 мВ/% и приросте температуры до 22 оС/%).
    Наиболее вероятно, что устойчивость датчика к перегрузкам определяется интенсивностью процессов окисления, происходящих на поверхности измерительного чувствительного элемента и в объеме пограничного слоя [3]. Причем, именно переход реакции каталитического окисления в объем пограничного слоя является причиной образования сажи [3] и необратимых изменений измерительного чувствительного элемента.
    Переход реакции в объем влечет за собой существенное увеличение потока метана сквозь фильтроэлемент в реакционную камеру датчика. При этом характер газообмена не остается чисто диффузионным, а приобретает некоторые свойства принудительного потока, что приводит к резкому снижению газопроницаемости фильтроэлемента (см. таблицу 2). Таким образом, благодаря свойству разработанного фильтроэлемента оказывать повышенное сопротивление потоку газа при сохранении высокой проницаемости диффузионному газообмену обеспечивается устойчивость датчика к перегрузкам.
    Изложенный механизм взаимодействия пористой керамики описанной структуры с потоком метана подлежит дальнейшему изучению и теоретической проработке, что выходит за рамки настоящей работы.

    Однако уже на данном этапе по результатам проведенных работ можно сформулировать очевидные преимущества разработанного фильтроэлемента:


    • возможность изготовления фильтроэлементов с заданными (в широких пределах) коэффициентами передачи;
    • реализация устойчивого к перегрузкам датчика с чувствительностью до 38 мВ/%;
    • обеспечение инерционности датчика не более 4 с;
    • минимизация влияния потока анализируемой среды на результаты измерений.

    Литература

    1. ГОСТ 24032-80. Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования. Методы испытаний. Группа П 63.
    2. Особенности выбора температурного режима термокаталитического датчика, предназначенного для эксплуатации в среде высоких концентраций метана / Гингольд В.М., Бублейник В.А., Делямуре А.В. // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. – 2003.- Вип. 71. – С. 82-88.
    3. Исследование термокаталитических сенсоров горючих газов и паров, работающих в динамическом режиме / Карпов Е.Ф. и др. // Сенсор.- 2001.- № 1.- С. 31-41.

    Использование материалов со ссылкой на сайт http://ukrsensor.pp.net.ua

    Категория: Статьи | Добавил: ukrsensor (2006-04-18)
    Просмотров: 2108 | Комментарии: 3 | Рейтинг: 0.0/0
    Всего комментариев: 0
    Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
    [ Регистрация | Вход ]
    Copyright MyCorp © 2017