Воскресенье, 2017-12-17, 10:51 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

    Особенности выбора температурного режима термокаталитического датчика
    УДК 536.5:542.97:543.27

    В.М. Гингольд, канд. тех. наук

    В.А. Бублейник (ДО НИИГД «Респиратор»)

    А.В. Делямуре (ИТМ НАНУ)

    Особенности выбора температурного режима термокаталитического датчика, предназначенного для эксплуатации в среде высоких (послевзрывоопасных) концентраций метана

    Несмотря на интенсивное развитие новых методов газового анализа и связанное с ним создание современных газоанализаторов, основной парк средств шахтной метанометрии в Украине и в ведущих угледобывающих странах состоит из приборов и систем, основанных на использовании термокаталитического метода. Причиной этому являются относительные простота и дешевизна термокаталитического датчика, удобство его конструктивной и схемотехнической привязки и обработки информации, высокие чувствительность и степень инвариантности к мешающим факторам. Применение современных материалов и технологий при создании термокаталитических датчиков позволяют реализовать высокие динамические качества, низкую энергоемкость и как следствие последнего – простое обеспечение взрывобезопасного исполнения.
    Вышеперечисленное позволяет прогнозировать широкое применение термокаталитических датчиков в новых поколениях средств шахтной метанометрии, особенно портативных и встраиваемых в экипировку шахтера.
    Однако наметившаяся в последние десятилетия тенденция усложнения газовой обстановки шахт и рост количества и категорийности (тяжести) аварий по газовому фактору [1] привели к ужесточению требований к эксплуатационным характеристикам средств шахтной метанометрии.
    Одно из таких ужесточений – требование однозначности получаемой от метанометра информации в диапазоне объемных долей метана до 100 % - нашло отражение в отечественной [2] и зарубежной нормативной базе.
    Классически построенный термокаталитический датчик не позволяет реализовать это требование в полной мере из-за неоднозначности функции преобразования [3]. Одна из основных причин этого – снижение термокаталитического эффекта на послестехиометрических концентрациях из-за дефицита кислорода. Для устранения указанного недостатка разработан ряд технических решений, основанных на физических эффектах и схемотехнических приемах. Однако для эффективного использования этих технических решений необходимо минимизировать естественное снижение чувствительности датчика на послестехиометрических концентрациях.
    Решению этой задачи посвящена настоящая работа.
    Объектом исследований является термокаталитический датчик с цилиндрическими чувствительными элементами диаметром 0,6 и длиной 0,85 мм. Сопротивление чувствительных элементов при температуре 20 оС составляет (6,3 ± 0,4) Ом. При напряжении питания датчика 2,4 В температура чувствительных элементов на воздухе составляет от 370 до 408 оС, что обеспечивает реализацию диффузионной области процесса каталитического окисления метана [4]. Благодаря этому минимизировано влияние мешающих факторов на результаты измерений, датчик в диапазоне измерений от 0 до 2,5 % объемной доли метана имеет основную абсолютную погрешность измерений в пределах ± 0,15 % и инерционность не более 4 с, работает устойчиво и ведет себя предсказуемо. Зависимость выходного сигнала датчика от напряжения питания на концентрации метана 1,65 % представлена на рис. 1, из которого видно, что начиная с напряжения 2,3 В выходной сигнал, практически, не зависит от напряжения питания, что подтверждает реализацию диффузионной области процесса каталитического окисления. Однако при исследованиях описанного датчика на концентрациях метана до 100 % проявились его некоторые отрицательные свойства.
    Графики функции преобразования датчика на концентрациях метана от 0 до 100 % (прямой и обратный циклы) представлены на рис. 2.
    Из них видно, что на прямом цикле при концентрации метана около 65 % наблюдается резкий и глубокий провал выходного сигнала, в то время как концентрация кислорода при этом снижается монотонно. Причем, на обратном цикле восстановление выходного сигнала происходит на концентрации около 27 %. Таким образом, наблюдается гистерезисность функции преобразования, т. е. – грубое несовпадение функций преобразования при прямом и обратном циклах. На прямом цикле в промежутке концентраций от 65 до 100 % и на обратном цикле от 100 до 27 % выходные сигналы датчика неоднозначны.

    Рис. 1. Зависимость выходного сигнала датчика (Uв) от напряжения питания (Uп) на концентрации метана 1,65 %

    Рис. 2. Функция преобразования датчика на концентрации метана от 0 до 100 % при - Uп = 2,4 В

    Анализ этих явлений позволил сделать предположение о том, что основной их причиной является охлаждение катализатора на высоких концентрациях метана из-за увеличения теплопроводности газовой среды, окружающей чувствительный элемент (коэффициент теплопроводности метана в 1,3 раза больше, чем коэффициент теплопроводности воздуха [5, 6]). При этом каталитический процесс сначала переходит в кинетическую область [4], характеризующуюся сильной зависимостью каталитической активности от температуры, а затем и вовсе прекращается.
    Дальнейшие исследования были направлены на обоснованное подтверждение этого предположения.
    Степень влияния коэффициента теплопроводности газовой среды, окружающей чувствительный элемент, помещенный в реакционную камеру, на его температуру описывается уравнением теплового баланса [3]. Такие уравнения известны для цилиндрического чувствительного элемента, коаксиально расположенного в цилиндрической камере и для сферического элемента, расположенного в сферической камере. В исследуемом датчике чувствительный элемент цилиндрический, но расположен он в камере не коаксиально; его диаметр и длина соизмеримы (0,6 и 0,85 мм) и примерно на порядок меньше размеров сечения камеры, что позволяет рассматривать его как точечный. Поэтому в исследуемом датчике для описания механизма теплопередачи более корректно использовать уравнение для сферического чувствительного элемента [3]:

    ,(1)

    где λ – коэффициент теплопроводности газовой среды, заполняющей реакционную камеру;
    tэ, tк – температуры чувствительного элемента и внутренней стенки реакционной камеры соответственно;
    rэ, rк – радиусы чувствительного элемента и сечения реакционной камеры в которой он расположен соответственно;
    I – ток чувствительного элемента;
    R – сопротивление чувствительного элемента при температуре tэ.
    Выразив правую часть уравнения (1) через параметры питания датчика и решив его относительно температуры чувствительного элемента получим:

    ,(2)

    где U – падение напряжения на чувствительном элементе.
    По полученному выражению были произведены практические расчеты температуры чувствительного элемента в воздухе и метане. Исходные данные для расчетов и их результаты представлены в таблице 1.

    Таблица 1

    Расчеты были выполнены в несколько этапов методом последовательного приближения с учетом зависимости теплопроводности газов от температуры [6] (в таблице приведены окончательные значения λ для температуры, определенной как среднее арифметическое температур чувствительного элемента и внутренней стенки камеры).
    Учитывая, что при расчетах принят целый ряд допущений (реальный цилиндрический чувствительный элемент заменен сферой, радиус которой равен половине длины цилиндрического чувствительного элемента; реальная полуцилиндрическая камера заменена сферической; принят линейный закон распределения температуры от чувствительного элемента к внутренней стенки камеры) их корректность была проверена экспериментально с использованием зависимости сопротивления платинового терморезистора от температуры [7]:

    ,(3)

    где - сопротивление чувствительного элемента при температуре 0 оС;

    Данные для расчетов по уравнению (3) и их результаты представлены в таблице 2.

    Таблица 2

    Сопоставимость результатов, полученных по уравнению теплового баланса и по температурному коэффициенту сопротивления платины подтверждает корректность выполненных расчетов.
    Результаты расчетов свидетельствуют о том, что охлаждение чувствительного элемента за счет высокой теплопроводности метана действительно является причиной провала функции преобразования датчика на высоких концентрациях, т.к. устойчивость процесса каталитического окисления метана на платино-палладиевом катализаторе при температурах ниже 300 оС заметно снижается.
    По изложенной методике было выбрано напряжение питания датчика 2,8 В, при котором температура измерительного чувствительного элемента в воздухе и метане составила соответственно 515 оС, и 320 оС. При этом ток датчика увеличился с 85 до 90 мА. Все характеристики датчика на довзрывоопасных концентрациях после повышения его температуры сохранились без изменений . На функции преобразования датчика после повышения его напряжения питания область неоднозначности сузилась до значений 76 – 100 %, а гистерезисность исчезла вообще (см. рис. 3). Иными словами, функции преобразования прямого и обратного циклов совпали.

    Рис. 3. Функция преобразования датчика на концентрациях метана от 0 до 100 % при - Uп = 2,8 В

    Полученные результаты подтвердили ранее высказанное предложение о том, что причиной «провала» функции преобразования и ее гистерезисности может быть недопустимое снижение температуры катализатора из-за того, что коэффициент теплопроводности метана существенно выше, чем коэффициент теплопроводности воздуха.
    Этот фактор должен учитываться при выборе рабочей точки датчика на характеристике в координатах «напряжение питания – выходной сигнал» (см. рис. 1) с целью недопущения охлаждения катализатора за счет теплопроводного эффекта до температур, при которых процесс каталитического окисления смещается в кинетическую область.
    Устранение вредного влияния описанного явления требует увеличения потребляемой датчиком мощности. Так, например, в описанном датчике потребляемая мощность была увеличена примерно на 23 %. Это привело к некоторому ухудшению потребительских качеств датчика, особенно для случая его применения в средствах измерительной техники и контроля с автономным питанием. Анализ выражения (2) показывает, что если температура внутренней стенки реакционной камеры будет существенно выше, чем температура окружающей среды, то и температура чувствительного элемента повысится, что обеспечит снижение энергопотребления. Это становится возможным при увеличении разности температур наружной и внутренней стенок реакционной камеры, т.е. – при выполнении реакционной камеры из теплоизоляционного материала.
    Оценка влияния теплоизоляционных свойств реакционной камеры датчика на его энергопотребление, таким образом является актуальной задачей для средств метанометрии с автономным питанием, однако решение этой задачи выходит за рамки настоящей работы.

    Литература

    1. Предотвращение аварий в угольных шахтах – актуальная задача / Брюханов А.М., Коптиков В.П., Левкин Н.Б. // Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий: Тезисы докл. Междунар. конф. – Донецк, 2002. – С. 34 – 35.
    2. ГОСТ 24032 – 80. Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования. Методы испытаний. Группа П 63.
    3. Природные опасности в шахтах, способы их контроля и предотвращения /
    Карпов Е.Ф. и др. – М.: «Недра», 1981. – С. 343.
    4. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана /
    Карпов Е.Ф. –М.: Наука, 1981. – С. 34.
    5. Газоанализаторы / Павленко В.А. – М., Л.: Машиностроение, 1965. – С. 39
    6. Теплопроводность газов и жидкостей / Варгафтик Н.Б., и др. – Государственная служба стандартных и справочных данных, 1970. – С 79, 107.
    7. Электрические измерения неэлектрических величин / Туричин А.М., и др. – 5-е издание Л., «Энергия», 1975. – С. 341.

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

    Категория: Статьи | Добавил: ukrsensor (2006-04-18) | Автор: В.М. Гингольд, В.А. Бублейник, А.В. E W
    Просмотров: 3626 | Комментарии: 2 | Рейтинг: 0.0/0
    Всего комментариев: 0
    Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
    [ Регистрация | Вход ]
    Copyright MyCorp © 2017