РАЗРАБОТКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Аль-Дахми Абдулгани Мокбел Салех Абдулгани Мокбел Салех

• Аль-Дахми Абдулгани Мокбел Салех Абдулгани Мокбел Салех
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Аль-Дахми Абдулгани Мокбел Салех Абдулгани Мокбел Салех

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Обзор современных термохимических газоанализаторов

1.1 Классификация термохимических газоанализаторов

1.2 Термохимические газоанализаторы, основанные на измерении сопротивления каталитически активного терморезистора

1.3 Термохимические газоанализаторы, основанные на измерении температуры каталитически активной среды

1.4 Средства термохимического контроля газов, основанные на измерении температуры продуктов каталитического сгорания

1.5 Обоснование направления исследований

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 2 Исследование возможности полного каталитического сгорания горючих газов в средствах термохимического контроля

2.1 Полнота реакции каталитического сгорания горючих газов в существующих средствах термохимического контроля

2.2 Анализ схем термохимических детекторов, основанных на измерении температуры продуктов каталитического сгорания

2.3 Описание термохимического детектора, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания

2.4 Выбор катализатора для термохимического детектора газов

2.5 Режимы работы анализатора с термохимическим детектором газов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 3 Теория работы термохимического детектора теплоты сгорания газов

3.1 Математическая модель статической характеристики термохимического детектора

3.2 Измерительная информация, получаемая с помощью термохимического детектора газов

3.3 Математическая модель динамической характеристики термохимиче-

ского детектора

3.4 Оценки погрешностей термохимического детектора

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4 Экспериментальные исследования термохимического детектора теплоты сгорания газов

4.1 Концепция экспериментальных исследований термохимического детектора

4.2 Экспериментальные исследования микрореакторов для термохимического детектора

4.3 Экспериментальная проверка математической модели статической характеристики термохимического детектора

4.4 Экспериментальные исследования динамической характеристики термохимического детектора

4.5 Определение основных метрологических характеристик термохимического детектора

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 5 Разработка средств термохимического контроля горючих газов

5.1 Конструкция и применения термохимического детектора теплоты сгорания газов

5.2 Разработка термохимического анализатора теплоты сгорания газов

5.3 Разработка автоматического термохимического анализатора

суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение 1 Копии патентов на полезные модели

Приложение 2 Копия акта испытания термохимического детектора

газов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «РАЗРАБОТКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время мировая добыча газов непрерывно увеличивается как за счёт увеличения добычи природных, попутных, так и, в последнее время, сланцевых газов. Все эти газы представляют собой многокомпонентные смеси, содержащие в основном горючие газообразные вещества. Для контроля качества названных газов на газодобывающих предприятиях осуществляется контроль их состава и основных интегральных показателей, таких как: низшая объёмная удельная теплота сгорания, плотность и индекс Воббе. Такие же задачи контроля качества газов решаются при исследованиях процессов газификации и пиролиза углеводородсодержащих материалов. Для контроля названных характеристик газовых сред используются различные средства аналитической техники, в том числе газоанализаторы и детекторы газов.

Известно более 70-ти принципов измерений концентраций и физико-химических свойств газов и паров, которые часто называют принципами детектирования [1,2]. Появление такого большого числа принципов детектирования газов связано с интенсивным развитием, начиная с конца 40-х годов прошлого столетия, газовой хроматографии. Среди этих принципов детектирования важное место, особенно для контроля горючих газов, занимает термохимический. Многие известные принципы детектирования газов превосходят термохимический по чувствительности (например, пламенно-ионизационный, пламенно-фотометрический, фотоионизационный и др), однако имеют сложную аппаратурную реализацию. Другие принципы детектирования имеют сравнимую по сложности аппаратурную реализацию, однако уступают термохимическому по чувствительности (например, термокондуктометрический, денситометрический, акустический и др).

Необходимо отметить, что термохимические детекторы и газоанализаторы используются в различных отраслях промышленности для контроля взрывоопасных концентраций смесей воздуха с горючими газами.

Особенно важен такой контроль в угледобывающих шахтах. Широко применяются термохимические детекторы при контроле продуктов сгорания углеводородных топлив в огневых нагревателях и двигателях внутреннего сгорания. Термохимическое детектирование является основой получения информации о наличии углеводородов в процессе газового каротажа при бурении скважин.

Обзор современных схем и работы термохимических анализаторов и детекторов, приведённый ниже, позволил сделать заключение о том, что термохимический контроль газовых сред сейчас интенсивно развивается, что позволяет решать новые задачи анализа газовых сред. При этом используются как старые, так и новые схемы средств термохимического контроля. Анализ этих схем показывает, что каталитическое сгорание газов в современных средствах термохимического контроля происходит не полностью, причём для каждого горючего вещества степень каталитического сгорания является различной, что затрудняет интерпретацию измерительной информации и градуировку средств термохимического контроля. Только в газоанализаторах с насыпным катализатором обеспечивается полное сгорание горючих газов, однако такие устройства обладают большой инерционностью, что затрудняет их применение для оперативного термохимического контроля горючих газов.

Автором предложен метод термохимического контроля, в котором каталитическое окисление горючих газов осуществляется в проточном микрореакторе с гранулированным катализатором, а информация о выделившейся при этом теплоте определяется путём измерения температуры продуктов сгорания. Это обеспечивает практически полного сгорания горючих газов, что позволяет получать информацию о низшей объёмной удельной теплоте сгорания и массовой концентрации горючих газов в воздухе и значительно уменьшает инерционность термохимического

детектора. Очевидное преимущество такого метода термохимического контроля определяет актуальность проведения его подробных исследований. Цель работы. Совершенствование автоматического контроля качества газовых сред, содержащих горючие компоненты, путём исследований термохимического детектора, основанного на измерении теплоты сгорания газов в проточном микрореакторе, и создание на его основе анализаторов показателей качества смесей горючих газов.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- выполнен обзор современных средств термохимического контроля

газов;

- разработана классификация средств термохимического контроля газов, охватывающая как известные, так и новые термохимические детекторы и газоанализаторы;

- исследован экспериментально процесс каталитического сгорания газов в типовом термохимическом детекторе и определена полнота сгорания газов;

- предложен термохимический детектор, основанный на измерении температуры продуктов каталитического сгорания газов, обеспечивающий полное сгорание горючих газов в каталитическом микрореакторе;

- разработаны математические модели статической и динамической характеристик термохимического детектора, основанного на измерении теплоты сгорания газов;

- выполнены экспериментальные исследования термохимического детектора, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания;

- определены основные метрологические характеристики термохимического детектора теплоты сгорания газов;

- созданы макеты термохимических анализаторов низшей объёмной удельной теплоты сгорания и массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе.

Научная новизна.

Обоснована теоретически и проверена экспериментально возможность экспрессного контроля показателей качества смесей горючих газов с помощью ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, отличие которого от известных ТХД состоит в том, что в нем функции каталитического сгорания и измерения температуры термохимической реакции разделены, что обеспечивает возможность реализации такого режима каталитического сгорания, при котором достигается полное сгорание горючих газов.

Современная классификация средств термохимического контроля газов, дополнена новым классификационным признаком, особенность которого состоит в том, что он позволяет учесть параметр, измеряемый в процессе термохимической реакции, протекающей в средстве контроля, и охватить как все известные, так и новые термохимические детекторы и газоанализаторы.

Разработана математическая модель статической характеристики ТХД на основе уравнений материального, теплового балансов и модели сигнала термоприёмника, отличием которой является учет кинетики реакции каталитического сгорания углеводородов в слое гранулированного катализатора, что позволяет получать измерительную информацию о низшей объемной удельной теплоте сгорания газовых топлив, являющейся основной характеристикой их качества.

Теоретическая значимость работы. Из общего числа средств термохимического контроля газов выделен отдельный класс средств контроля, основанных на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, созданы теоретические основы их работы и

продемонстрированы преимущества по сравнению с пеллисторными детекторами и детекторами с насыпным катализатором.

Практическая значимость работы. Созданы экспериментальные установки, отличие которых состоит в том, что они позволяют осуществлять исследование ТХД в импульсном режиме ввода анализируемого газа в поток газа-носителя, поступающего в детектор, что многократно уменьшает длительность экспериментальных исследований и материальные затраты на их проведение. Эти установки использованы для исследования кинетики окисления горючих газов в проточном микрореакторе ТХД, проверки математической модели его статической характеристики, определения его инерционности и основных метрологических характеристик.

Впервые разработан термохимический анализатор, позволяющий осуществлять экспрессный (за 3-4 мин) контроль одного из основных показателей качества горючих газов - низшей объёмной удельной теплоты сгорания газов, используя при этом небольшое количество (1 -2 мл) анализируемой газовой среды.

Впервые разработан термохимический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе, позволяющий при его применении в процессе газового каротажа существенно упростить интерпретацию получаемой измерительной информации и отказаться от, обычно используемой, условной градуировки анализатора по метану.

Получены четыре патента на полезную модель, которые обеспечивают правовую защиту схемных и конструктивных решений, найденных при разработке термохимических детекторов и газоанализаторов.

Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач были использованы аналитический метод математического моделирования и экспериментальные исследования термохимического детектора на созданных установках.

Положения, выносимые на защиту:

- дополнительный классификационный признак, введенный в современную классификацию средств термохимического контроля газов и учитывающий параметр, измеряемый в процессе термохимической реакции;

- математическая модель статической характеристики ТХД, основанного на измерении температуры каталитического сгорания;

- результаты экспериментальных исследований ТХД;

- термохимические анализаторы низшей объёмной удельной теплоты сгорания и массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе, построенные на базе ТХД, основанного на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Достоверность подтверждается результатами многочисленных экспериментальных исследований, выполненных на разработанных установках.

Апробация результатов.

Основные результаты докладывались: на конференции ХХ международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25», (Саратов, 2012), на международная научно-техническая конференция «Промышленные анализаторы состава и качества технологических сред и опыт их применения в промышленности», (Дзержинск, 2012), на межрегиональной научно- технической конференции «Интеграция науки и образования - производству, экономике», (Тверь, 2012).

Термохимический анализатор массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе, созданный на базе разработанного детектора, был испытан в лаборатории ООО НПП «Геосфера» и его предполагается использовать для решения задач газового каротажа.

Публикация. По теме диссертации опубликовано двенадцать работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых журналах, четыре патента на полезную модель.

Глава 1 Обзор современных термохимических газоанализаторов

1.1 Классификация термохимических газоанализаторов

В процессе развития термохимического принципа измерения концентрации и физико-химических свойств газов, начавшегося с решения задач предупреждения взрывов рудничного газа в угольных шахтах и контроля процессе горения топлив на теплоэлектростанциях, предложено большое число схем термохимических газоанализаторов (ТХГ) и конструкций основных измерительных узлов этих газоанализаторов -термохимических измерительных преобразователей (ТХП) или термохимических детекторов (ТХД). В дальнейшем изложении понятия «первичный измерительный преобразователь» и «детектор» будут использоваться как синонимы.

Начиная с работ [3-5], выполненных в середине прошлого века, и до настоящего времени ТХГ принято разделять на два типа: газоанализаторы, в которых терморезистор одновременно является катализатором горения и преобразователем температуры (ТХГ с каталитически активным терморезистором) и газоанализаторы, в которых функции каталитического горения и измерения температуры разделены (ТХГ с, так называемым, насыпным катализатором).

Такая классификация не отражает современного многообразия ТХГ. В работе [6] предложена подробная классификация современных ТХГ с металлическими терморезисторами, которая охватывает только один тип ТХГ.

Все изложенное выше определяет целесообразность разработки классификации современных ТХГ, охватывающей все типы этих газоанализаторов.

В данной работе на основе изучения и анализа научно-технической литературы и патентов, [85] посвященных ТХГ, за последние 50 лет [1 ^ 55], была разработана классификация, представленная на рис. 1.1.

В соответствии с этой классификацией ТХГ разделяются по следующим признакам:

- типу термоприемника (терморезистор и термоэлектрический преобразователь), от которого зависит тип промежуточного измерительного преобразователя, используемого для обработки сигнала термоприемника;

- форме каталитически активной среды, которой во многом определяется конструкция ТХП;

- способу нагрева каталитически активной среды, реализуемому либо током неуравновешенного электрического моста, в который включен терморезистор (прямой способ нагрева), либо внешним источником электрической энергии (косвенный способ нагрева);

- измеряемому параметру.

В последний классификационный признак введен один новый фактор, учитывающий современное состояние развития ТХГ, а именно, в названном признаке помимо традиционных ТХГ, основанных на измерении электрического сопротивления каталитически активного терморезистора, и ТХГ, основанных на измерении температуры каталитически активного носителя (трегера), выделены ТХГ, основанные на измерении температуры продуктов каталитического сгорания.

Последний классификационный признак использован ниже в обзоре современных ТХГ.

1.2 Термохимические газоанализаторы, основанные на измерении сопротивления каталитически активного терморезистора.

ТХГ с каталитическим активным терморезистором являются одними из первых, которые использовались для автоматического анализа газов

Рис 1.1. Классификация термохимических газоанализаторов

Первоначально такие ТХГ применялись для измерения концентрации метана в газовой атмосфере угольных шахт и для измерения концентрации горючих газов, определяющих химический недожог топлив в котлах теплоэлектростанций.

Затем ТХГ получили широкое распространение как средство контроля и сигнализации довзрывных концентраций различных газов и паров горючих веществ в воздухе промышленных предприятий [3-15,24].

Принцип действия этих ТХГ состоит в каталитическом сжигании горючего вещества на поверхности каталитически активного терморезистора, нагретого до температуры 300-700 0 С, при котором выделяется некоторое количество теплоты, что изменяет электрическое сопротивление терморезистора. Обычно каталитически активный терморезистор представляет собой нагретую электрическим током платиновую проволочку диаметром 0,03 - 0,08 мм [4, 10,23].

Температура г каталитически активного платинового терморезистора описывается выражением [6]:

12 & (1 + рг) + квс

г = К +—^—^-, ( 1.1)

с а¥ - Щр

где: г - температура среды, окружающей терморезистор;

I - ток, протекающий через терморезистор;

& - сопротивление терморезистора;

G - тепловой эффект реакции каталитического сгорания;

Р - температурный коэффициент сопротивления;

Е - площадь поверхности терморезистора;

(X - коэффициент теплоотдачи терморезистора;

С - объёмная концентрация определяемого горючего вещества.

В настоящее время известно несколько конструкций термохимических преобразователей (ТХП) с каталитически активным терморезистором [6].

Схемы наиболее типичные преобразователи показаны на рис.1.2. На рис.1.2 а показан ТХП, содержащий проточную камеру 1, промываемую анализируемым газом, в которой на изоляторах 2 укреплены токопроводящие наконечники 3. К этим наконечникам приварена платиновая спираль, служащая каталитически активным терморезистором и имеющая небольшое (несколько Ом) сопротивление.

В другой конструкции ТХП (рис. 1.2б) каталитически активный терморезистор выполнен в виде платиновой проволоки. Преобразователь имеет проточную камеру 1, промываемую анализируемым газом, в которой на изоляторе 2 размещены токопроводящие наконечники 3. Каталитически активный терморезистор 4 приварен к эти наконечникам. Проволока терморезистора перекинута через пружинку 5, укрепленную на изоляторе 6 и служащую для натяжения проволоки при её нагреве.

Кроме свободно размещенных проволок каталитически активных терморезисторов известны конструкции ТХП, в которых терморезистор 4 размещается на каркасе 6 (рис.1.2в), изготовленном из керамики или асбеста. Здесь терморезистор наматывается на каркас, который часто снабжается винтовой нарезкой для размещения витков терморезистора и исключения межвиткового замыкания.

Известно также конструкция ТХП, чувствительные элементы которых представляют собой пленку 4, нанесенную на диэлектрическую подложку 7 (рис.1.2г) методом планарной технологии [25]. Каталитически активный терморезистор (рис.1.2 в и г) размещаются обычно в проточной камере 3, промываемой анализируемым газом.

Схема ТХГ с каталитически активными терморезисторами показана на рис 1.3. Здесь принято различать две схемы ТХГ: схема (рис.1.3а) называется однокамерной, а схема (рис.1.3б) -двухкамерной.

\

Я

2

2

4

1

а) Ан. газ

6

3 3

5

4 Ан. газ

б)

4

6

в)

.г

Ан. газ

/ 7

4

г)

!

Ан. газ

Рис. 1.2. Схемы термохимических преобразователей с каталитическим активным резистором

3

1

1

а)

б)

Рис.1. 3. Схемы термохимических газоанализаторов с каталитическими

активными терморезисторами

В однокамерном ТХГ камера 1 сравнительного терморезистора 2 размещена в проточной камере 3, в которой размещен измерительный каталитически активный терморезистор 4. Оба терморезистора включены в схему неуравновешенного электрического моста, который также содержит два постоянных & и & и переменный & манганиновые терморезисторы.

Питание моста осуществляется от стабилизированного источника напряжения 5, а разбаланс моста, несущий информацию об объемной концентрации определяемого компонента, измеряется потенциометром или вольтметром, шкала которого может градуироваться в объемных концентрациях определяемого компонента.

Сравнительный терморезистор 2 имеет идентичные с измерительным терморезистором характеристики, а размещение его в отдельной камере исключает попадание на его поверхность горючих определяемых веществ. В тоже время, его температура равна температуре потока анализируемого газа, как и температура измерительного терморезистора 4 в отсутствии определяемого компонента. Так как названные терморезисторы включены в смежные плечи неуравновешенного электрического моста, это практически исключает влияние изменений температуры анализируемого газа на результат измерений. Переменный резистор & служит для установки

начального значения выходного сигнала ТХГ.

Схема ТХГ, используемого в газовой хроматографии (рис.1.3б), отличается от схемы ТХГ (рис.1.3а) наличием двух раздельных камер. Здесь, через сравнительную камеру 1, в которой размещен сравнительный терморезистор 2, прокачивается чистый газ (газ-носитель), а через измерительную камеру 3, в которой размещен измерительный терморезистор 4, прокачивается поток газа из хроматографической колонки.

В этом потоке при использовании ТХГ в качестве детектора газового хроматографа в процессе разделения многокомпонентных сред на

хроматографической колонке появляются отдельные компоненты, концентрация которых измеряется с помощью ТХГ.

Как и в схеме ТХГ, в схеме (рис 1.3а) терморезисторы включены в неуравновешенный мост с источником питания 5. Для измерения разбаланса моста используется автоматический потенциометр или компьютер, снабженный аналого-цифровым преобразователем.

Сигнал и рассмотренных ТХГ, описывается выражением [4]:

и = Кр6( , (1.2)

где: К - постоянный для данного газоанализатора коэффициент;

(- коэффициент, характеризующий полноту сгорания и зависящий от природы анализируемого вещества;

6 - низшая объёмная теплота сгорания определяемого вещества;

X - объемная концентрация определяемого вещества. Как видно из выражения (1.2), сигнал ТХГ зависит при прочих равных условиях от низшей объёмной теплоты сгорания определяемого горючего вещества, содержащегося в анализируемом газе. Кроме этого, он зависит от коэффициента р , который различен для разных горючих веществ.

Преимуществом ТХГ с каталитически активным терморезистором является очень малая инерционность, определяемая главным образом емкостью камер, в которых размещается терморезистор, а также высокая чувствительность, равная 2 • 103 мВ/ % об. Недостатком таких ТХГ является необходимость частой градуировки, связанной с потерей платиновыми терморезисторами каталитической активности.

Для интенсификации процесса каталитического горения компонентов предложено [26] использовать ультразвуковые колебания, создаваемые в камере ТХП. На рис.1.4 показана схема такого ТХП. Преобразователь содержит корпус 1, в торцах которого на изоляторах 2 в держателя 3 закреплены измерительный 4 и сравнительный 5 платиновые

терморезисторы. Во внутренней полости корпуса 1 установлена пьезокерамическая втулка (цирконат-титанат свинца) 6, на торцы которой нанесены металлические электроды 7 и 8, подключенные к генератору 9 электрических колебаний ультразвуковой частоты. В такой конструкции ТХП проточные камеры, в которых размещены сравнительный и измерительный терморезисторы, образованы между керамической втулкой 6, снабженной отверстием 10, и изоляторами 2. В торцах втулки имеются полости 11 и 12 для фокусирования ультразвука, а терморезисторы расположены в фокусах этих полостей.

Анализируемый газ поступает предварительно в камеру, где размещен сравнительный терморезистор, а затем через трубку 10 - в камеру с измерительным терморезистором. В процессе работы за счет подачи электрических колебаний от генератора 9 к электродам 7 и 8 возникают ультразвуковые колебания пьезокерамической втулки 6, которые передаются газовым потокам, протекающим через камеру детектора. Экспериментально установлено, что наличие ультразвуковых колебаний увеличивает чувствительность измерений более чем в три раза.

1.3 Термохимические газоанализаторы, основанные на измерении температуры каталитически активной среды

ТХГ, в которых для увеличения чувствительности, надежности и увеличения срока службы используются ТХП, содержащие различные нагреваемые каркасы-носители (трегеры) катализатора (каталитически активная среда), температура которых в процессе сгорания каких-либо горючих веществ увеличивается, в настоящее время являются наиболее распространенными.

Наибольшее применение для изготовления трегеров получила форма оксида алюминия - уЛ1203, которая обладает высокоразвитой

Рис. 1.4. Схема термохимического преобразователя с каталитическим активными терморезисторами и ультразвуковым излучателем

поверхностью и является хорошим конструктивным материалом благодаря значительной механической прочности.

Нагревание трегера осуществляется либо с помощью терморезистора, размещенного в трегере (прямой нагрев), либо специальным нагревателем (косвенный нагрев). Температура трегера измеряется металлическим или полупроводниковым терморезистором, либо термоэлектрическим преобразователем. Миниатюрные ТХП с прямым нагревом трегера часто называют пеллисторами. В настоящее время этот тип ТХП является наиболее распространенным [13, 27- 45].

На рис.1.5а показана схема однокамерного ТХГ с прямым нагревом трегера. В данном ТХГ в проточной камере 1 размещены два одинаковых преобразователя, измерительный & и сравнительный & , содержащих

цилиндры 2 из оксида алюминия. Во внутренней полости этих цилиндров размещены платиновые термометры- нагреватели 3, укрепленные в цементных пробках 4. Цилиндр измерительного преобразователя покрыт катализатором 5, а сравнительный преобразователь & служит для

исключения влияния изменения температуры анализируемого газа на результат измерений.

Термометры - нагреватели включены в схему неуравновешенного электрического моста вместе с манганиновыми резисторами & , & и & .

Они нагреваются током этого моста, создаваемым стабилизированным источником питания 6. При каталитическим сгорании определяемого горючего вещества на измерительном преобразователе увеличивается температура трегера и платинового термометра- нагревателя, что вызывает разбаланс моста, который измеряется и регистрируется потенциометром или вольтметром 7.

По описанной схеме строится подавляющее большинство современных ТХГ [25-34].

а)

б)

в)

Рис.1. 5. Схемы однокамерного термохимического газоанализатора с прямым нагревом трегера (а) и наиболее распространенные конструкции пеллисторов

(б и в)

При этом кроме конструкций пеллистора, показанной на рис. 1.5а, часто используются конструкции ТХП, показанные на рис. 1.5б и в.

В преобразователе (рис.1.5б) используется цилиндр 1 из оксида алюминия, пропитанный катализатором и снабженный спиральной нарезкой, в канавках которой уложен платиновый термометр-нагреватель 2, концы которого приварены к выводам 3. Последние размещены в цементно-фосфатных пробках 4.

На рис. 1.5в приведена наиболее распространенная в настоящее время конструкция пеллистора. Здесь платиновая спираль 1 (диаметр проволоки 0,03 - 0,05 мм) размещена в шарике 2 из оксида алюминия, покрытого слоем 3 платина- палладиевого катализатора. Такие пеллисторы могут быть очень миниатюрными, например, с диаметром шарика около 1 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль-Дахми Абдулгани Мокбел Салех Абдулгани Мокбел Салех, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Бражников, В.В. Детекторы для хроматографии / В.В. Бражников. - М.: Машиностроении, 1992.- 320 с.

2.Фарзане, И.Г. Автоматические детекторы газов и жидкостей/ И.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим - Заде. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 96с.

3.Файнберг, М.М. Автоматические газоанализаторы/ М.М. Файнберг.- М.: Металлургиздат, 1946-328с.

4.Матросова, Н.С. Отечественные термохимические газоанализаторы и их сопоставление с зарубежными / Н.С. Матросова, Сб. Автоматические газоанализаторы.- М.: ЦИНТИЭПП, 1961.- 63-83с.

5.Щербань А.Н, Методы и средства контроля рудничного газа (метан) / А.Н. Щербань, Н.Н. Фурман.- Киев: Наук. Думка, 1965. - 412с.

6.Тарасевич, В.Н. Металлические терморезисторные преобразователей горючих газов/ В.Н. Тарасевич . - Киев: Наук . Думка, 1988. - 284с.

7. Арутюнов, О.С. Датчики состава и свойств веществ / О.С. Арутюнов .- М.-Л.:

Энергия, 1966.- 160с.

8.Иовенко, Э. Н. Автоматические анализаторы и сигнализаторы токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе / Э. Н. Иовенко. - М.: Химия, 1972. -190 с.

9.Кошарский, В.Д. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины / Кошарский В.Д. и др.- Л.: Машиностроение, 1968.- 880с.

10. Павленко, В.А. Газоанализаторы/ В.А. Павленко.- Л.: Машиностроение, 1965. - 296с.

11.Франко, Р.Т. Газоаналитические приборы и системы / Р.Т. Франко, Б.Г. Кадук, А.А. Кравченко.- М.: Машиностроение, 1983.- 128с.

12. Профоса, П. Измерения в промышленности: Справочник / П. Профоса: Под ред. - М.: Металлургия, 1980.- 648с.

13.Ваня, Я. Анализаторы газов и жидкостей / Под ред. О.С. Арутюнова.- М.: Энергия, 1970.-552 с.

14. Тхоржевский, В.П. Автоматический анализ химического состава газов/ В.П. Тхоржевский. - М.: Химия, 1969.- 324 с.

15. Тхоржевский, В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях / Тхоржевский. В.П . - М.: Химия, 1976.- 272 с.

16. Байер, Э. Хроматография газов / Э. Байер. Изд-во иностр лит., М.:1961. -279с.

17. Кейлеманс, А. Хроматография газов/ А. Кейлеманс. - М.: Изд-во иностр. лит., 1959. - 320 с.

18. Шай, Г. Теоретические основы хроматографии газов / Г. Шай. - М.: Изд-во Иностр. лит., 1963. - 382с.

19. Ногаре, С.Д. Газожидкостная хроматография / С.Д. Ногаре, Р.С. Джувет. -Л.: Недра, 1966. -471с.

20. Гольберт, К.А. Курс газовой хроматографии / К.А. Гольберт, М.С. Видергауз. - М.: Химия, 1967. - 400с.

21. Столяров, Б.В. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии/ Б.В. Столяров, И. М. Савинов, А. Г. Витенберг. - Л: -Химия, 1978. - 288 с.

22. Руководство по газовой хроматографии. Т.1- М.: Мир, 1988. -480с.

23. Туричин , А.М. Электрические измерения неэлектрических величин / А.М. Туричин. - М. - Л.: Энергия, 1986.-690с.

24. Агейкин, Д.И. Датчики систем автоматического контроля и регулирования /Д.И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. - М.: Машгиз, 1959. - 579с.

25.Пат. №2003194759 (Япония), 2003 - 07- 09 / Combustible- gas detector. Oeki Masaaki, Yokoi Hitoshi, Tsujimura Yoshimori.

26. А.С. СССР. № 934340. Бюл. № 21,1982 / Термохимический детектор. Мальцев Е.К, Морозов В.Г, Сирота С.А, Бондарчук А.И.

27. Карпов, Е.Ф. Шахтный термокаталитический непрерывно действующий анализирующий индикатор метана сб / Е.Ф. Карпов. Автоматические газоанализаторы-.М: ЦНИТИЭПП. -1961. - 60 -64с.

28. Геллер, З.И. Детектор каталического горения для хроматографического анализа дымовых газов / Геллер З.И. и др. - Измерительная техника, 1972 №2, с. 66 - 68.

29. Пат. № 4164699 (США), 14.08.1979. Thermochemical combustible gas detector. Timoshenko A.T, Nazarenko V.I, Krigman F.E, Gusev M.G.

30. Пат.№ 2034893 (Великопритания) 06.11.1980/ Combustible gas detector. English electric . Valve company limited.

31. Введение к теореме сгорания и метод контактного сгорания (Технические материалы для симпозиума) фирма «Рикен кейки » Токио - 1983.-59с.

32. А.С. СССР. № 1061020 Бюл. №46, 1983 / Термохимический детектор. Е.Б. Шмидель, Ю.М. Генкин, Мягков Е.А.

33. Пат. № 58096244 (Япония) 06.08.1983 / Combustible gas detector. Kouichik K., Yoshihiko O., Shigeto H.

34. А.С. СССР. №1068793. Бюл. №3, 1984 / Термохимический детектор. Фомичев Ю.В. Деменкова Е. П, Левинтер М. Е.

35.Пат. №1804620 (РФ). Бюл. №11, 1993 / Способ изготовления измерительного преобразовательного элемента термохимического датчика. Абдурахманов Э.А. и др.

36. Пат. №4779078 (США) 18.10.1988/Combustible gas detector. Henry J.

37. А.С. СССР. № 1441289. Бюл. №44. 1988 / Термохимический датчик. Латыпов М.А, Андреев Н.Я.

38. Пат. №3115847(Япония ) 16.05.1991 / Combustible gas detector. Shinichiro K.

39. Пат. №8233764 (Япония ) 13.09.1996 / Combustible gas detector. Toshiyuki O.

40. Пат. на полезную модель (РФ) №102260. 2011, Бюл. №5 / Термохимический детектор. Аль-Дахми А.М., Денисова Д.А., Илясов Л.В.

41. Пат. на полезную модель (РФ) №102262. 2011. Бюл №5 / Термохимический детектор для газовой хроматографии. Аль-Дахми А.М., Денисова Д.А., Илясов Л.В.

42. Пат. №2119663 (РФ ) 27.09.1998 / Термохимический детектор / Жуков Г.Ф, Маслов В.В.

43. Пат. на полезную модель (РФ) №2002123742 / Термохимический газоанализатор. Глебина Г.А.

44. Пат. № 1316710 (РФ) 27.04.1993 / Детектор горючих газов. Вильям А.

45. Пат. №2836004(Китай) 08.11.2006 / Thermostatic combustible gas concentration detector. Fei. Z.

46. Пат. №101738420(Китай) 16.06.2010/ Whole-range combustible gas detector. Shixiag G., Zhigang H., Zeyu J., Zhaodong J., Ke Mu., Jingbin S., Hongquan W., Jiwei Z.

47. Пат. № 0243029 02.11.2006/ Gas sensor for detecting combustible gases. Bjorn L., Teschow D.E., Mladen S., Lubeck D.E.

48. Пат. № 4063898( США) 20.12.1977 / Combustible gases detector. Fisher E.W.

49. АС. СССР №989431 бюл. №2 1983 / Термокаталитический детектор горючих газов. Карпенко В.Г. и др.

50. Пат № 2007315925 (Япония) 12.06.2007 / Combustible gases detector. Masaru I., Naruichi O., Masahide Y., Shiro B.

51. Пат № 2007232655(Япония) 13.09.2007 / Combustible gases detector. Naruichi O., Shiro B., Masahide Y., Masaru I.

52. Пат № 200800824 (Япония) 02.11.2010 / Combustible gas sensor. Tsutomu O., Karutaka O., Yoshiaki N., Yutuka Y., Shoji T.

53. Фарзане, И. Г. Технологические измерения и приборы / И.Г. Фарзане,Л.В. Илясов , А.Ю Азим - Заде. Учеб. для вузов - М.: Высш. шк., 1989. - 456с.

54. Иткин, Я.М. Принципы построение и модели термохимических газоанализаторов СКБ Аналитического прибора строения. АНСССР. Сб. Автоматические газоанализаторы.-М:. ЦНИТИЭПП,-1961.-с84-94.

55. Пат. на полезную модель (РФ) №102260. 2011. Бюл №5/ Термохимический газоанализатор . Аль-Дахми А.М., Денисова Д.А., Илясов Л.В.

56. Корчагина, Е.Н. современоое состояние и тенденция развития калориметрии сжигания / Е.Н. Корчагина. Измерительная техника. 1998, №11.с.49-54.

57. Аль-Дахми, А.М. Экспериментальная установка для исследований термохимического газоанализатора / А.М. Аль-Дахми, Л.В. Илясов

// Вестник Тверского государственного Технического университета.,2011, №19с.68-73.

58. Пат. На полезную модель (РФ) № 108625. 2011. Бюл №26/ Термохимический газоанализатор. Аль-Дахми А.М, Илясов Л.В.

59. Боресков, Г.К. Катализ в производстве серной кислоты / Г.К. Боресков.- М -Л. Госхимиздат, 1954.-348с.

60. Каталитические свойства веществ. Справочник / под ред. В.А.Ройтера.-Киев: Наук. Думка, 1968. 1464с.

61. Марголис, Л.Я. гетерогенное каталитическое окисление углеводородов/Л.Я. Марголис-М.: Химия, 1967.-190с.

62. Anderson R.B, Stein K.C, Freen J.J., Hofer L.J.E. Catalytic oxidation of methane /ihd. and Eng. Chem.- 1961.- 53,№10.- p. 809-812.

63. Кравченко, В.С. Катализатор для определения метана в рудничной атмосфере/ В.С. Кравченко. и др. Завод. Лаб. -1959-№14.- с.1448.

64. А.с.СССР №118495. 1959. бюл.№6 / Способ получения катализатора для сжигания метана в газоанализаторах. В.С. Кравченко, И.Э. Биренбург, В.В. Волко, Е.Ф. Карпов, И.А. Магидсон.

65. Автоматизация средства контроля производственных процессов в нефтяной и нефтехимической промышленности. Приборы для автоматического анализа состава и свойств веществ (четвертая книга) М.:Недра. 1979.- 624 с.

66. Авдеева, А.А. Контроль топлив на электростанциях /А.А. Авдеева, Б.С. Белосельский, М.Н. Краснов. М.: Энергия, 1973.-384 с.

67.Фарзане, Н.Г. Импульсный ввод анализируемого газа в автоматических анализаторах/ Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов. Измерительная техника, 1971, №4 34-38с.

68. Гетерогенный катализ в химической промышленности. Материалы всесоюзного совещания 1953 года.- М.: -ГХИ, 1955.-495с.

69. Панченков, Г.М. Химическая кинетика и катализ / Г.М. Панченков, В.П Лебедев. Учеб. Пособие для вузов. - М.: Химия, 1985. - 590с.

70. Киперман, С.Л. Введение в кинетику каталитических реакций / С.Л. Киперман. М.: Наука, 1964.-600с.

71. Эммануэль, И.М. Курс химической кинетики / Д.Г. Кнорре. Учеб. для вузов. - М.: Высш.шк., 1974.-400с.

72. Бесков, В.С. Общая химическая кинетика / В.С. Бесков. Учеб. для вузов.-М.:ИКЦ (Академкнига), 2005.- 452с.

73. Яцимирский, К.Б. Кинетические методы анализа / К.Б. Яцимирский. - М.: Химия, 1967 - 200с.

74. Моделирование и оптимизация каталитических процессов.-М.: Наука, 1965355 с.

75. Семиохин, И. А. Кинетика химических реакций / И. А. Семиохин, Б. В. Страхов, А. И. Осипов. Учеб. пособие.- Изд-во МГУ 1995. - 351 с.

76. Верниковская, И.В. Каталитические процессы в реакторах с неподвижным слоем / И.В. Верниковская, Ю.В. Малоземов, С.А. Покровская. Учеб. -методич. пособие. Новосибирск : Изд-во НГУ, 208.- 67с.

77. Мурзаков, В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах / В.В. Мурзаков. М-Л.: Энергия, 1964.-319с.

78. Мееров, М.В. Теория автоматического регулирования и авторегуляторы /М.В. Мееров, В.Г. Дианов. Учеб. пособие для вузов.- М.: Гостоптехиздат, 1963.-264с.

79. Клюев, А.С. Автоматическое регулирование / А.С. Клюев. М.: Энергия, 1967.-343с.

80. Калмановский, В.И. К вопросу определения постоянной времени систем хроматографического детектирования / В.И. Калмановский. Сб. Газовая хроматография, ред. Сакодынский К.И. НИИТЭХим, Москва.: вып.1.с. 76-79.

81. Физико-химические применение газовой хроматографии/ под ред. А.В. Киселев - М.:химия,173.- 250с.

82. Стрекалова, М.А. Диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы жидких сред. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Стрекалова Мария Александровна.- Тверь . 2008.-163с.

83. Национальный стандарт РФ.ГОСТР .8.729.-2010. Хроматографы аналитические газовые лабораторные. Методика поверки.

84.Патент на полезную модель (РФ) № 127470. 2013. Бюл № 12 /Термохимический газоанализатор. Аль-Дахми А.М., Илясов Л.В.

85. Аль-Дахми, А. М. Обзор современных термохимических газоанализаторов /А.М. Аль-Дахми, Л.В. Илясов. Деп. в ВИНИТИ РАН 03.02.2006 № 117-В2006. 52., Тверской государственный технический университет.- Тверь, 2011.

86. Аль-Дахми, А.М. Математическая модель сигнала термохимического детектора теплоты сгорания газов / А.М. Аль-Дахми // сборник трудов XXV международной научной конференции математические методы в технике и технологиях.- ММТТ-25. Саратов 2012, 17 - 19с.

87. Аль-Дахми, А.М. Математическая модель динамической характеристики термохимического детектора теплоты сгорания газов / А.М. Аль-Дахми, Л.В. Илясов // Вестник ТвГТУ, 2012. 180 (вып. 20). с. 35-39. ISSN 2224-6363.

88. Аль-Дахми, А.М. автоматический термокаталитический анализатор теплоты сгорания газовых топлив / А.М. Аль-Дахми // Международная научно-техническая конференция и промышленные анализаторы состава и качества технологических сред и опыт их применения в промышленности. Тез. Докл. Дзержинск 05.06.12 - 26.06.12.

89.Аль-Дахми, А.М. «Термохимический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе» /А.М. Аль-Дахми, Л.В. Илясов // Сборник трудов, межрегиональной научно-технической конференции

«интеграция науки и образования - производству, экономике»», Тверской государственный технический университет. Том 2, Тверь 2012.

90. Аль-Дахми, А.М. Термокаталитический анализатор теплоты сгорания газо /А.М. Аль-Дахми, А.П. Варламов, Л.В. Илясов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний.-2013.-№ 1.-с. 2224.

91. Аль-Дахми, А.М. Автоматический термокаталитический анализатор суммарной массовой концентрации углеводородов в воздухе / А.М. Аль-Дахми, А.П. Варламов, Л.В. Илясов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. -2014.-№ 2.-с. 28-29.

Приложение 1 Копии патентов на полезные модели

mœmiïfcmAm фвдшращшш

Приложение 2

Копия акта испытания термохимического детектора газов

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ научно-производственное предприятие "ГЕОСФЕРА"

Термохимический детектор газов, основанный на измерении температуры продуктов каталитического сгорания, является новым средством аналитической техники. Принцип действия детектора основан на каталитическом окислении горючих газов в микрорсакторе и измерении температуры образующихся прн этом газообразных продуктов с помощью батарейного термоэлектрического преобразователя.

Детектор содержит проточную камеру, по оси симметрии которой размещен каталитический микрореактор, представляющий собой кварцевую трубку с внутренним диаметром 4 мм и длиной 70 мм, наполненную платино-палладиевым гранулированным катализатором и нагреваемую с внешней стороны электронагревателем. В микрореакторе обеспечивается полное сгорание горючих газов, в том числе и метана, наиболее стойкого к каталитическому окислению. Это, в свою очередь, обеспечивает зависимость сигнала детектора только ог низшей объёмной удельной теплоты сгорания и инвариантность к индивидуальной способности горючих газов к каталитическому окислению. Используемое в детекторе измерение температуры продуктов сгорания с помощью батарейного термоэлектрического преобразователя определяет генераторный характер сигнала детектора, что упрощает его использование в средствах аналитической техники.

Детектор работает в непрерывном режиме при непосредственной подаче анализируемого газа с постоянным объемным расходом.

При испытаниях термохимического детектора газов в ООО НПП «Геосфера» было установлено, что детектор позволяет измерять массовую концентрацию углеводородов в воздухе в диапазоне 0-100 г/ м3. При этом порог чувствительности детектора составляет 0,5 г/м3, а относительная погрешность измерений не превышает ± 2%.

Важным преимуществом термохимического детектора газов является то, что его сигнал, зависящий от теплоты сгорания, а, следовательно, и от плотности газов, может использоваться для определения массовой суммарной концентрации углеводородов в воздухе. Это существенно упрощает калибровку и практическое применение детектора.

Термохимический детектор, разработанный на кафедре «Автоматизация технологических процессов» Тверского государственного технического университета, предполагается использовать в составе анализатора суммарного содержания углеводородов в воздухе, разрабатываемого в ООО НПП «Геосфера».

Набережная р. Лазури, д. 15, г. Тверь. 170028. Тел. [phone]. факс [phone] ОКПО 70943252 ОГРИ 1036900071680 ИНН 6901038956 КПП 690101001

АКТ

испытания термохимического детектора газов

Директор ООО НПП «Геосфера»

В.Н.Дьяков