RU2204123C2

RU2204123C2 - Sensitive element of gas analyzer

Info

Publication number: RU2204123C2
Application number: RU99123450/28A
Authority: RU
Inventors: занов А.В. Р; А.В. Рязанов; И.М. Медведева; В.А. Цибизов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Газ-ЭПРИС"
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2003-05-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed element has heating spiral in the form of hollow cylinder formed by turns of cast microwire presenting conducting conduit in glass or ceramic insulation. Turns of microwire on inner and outer surfaces of cylinder are interconnected by monolithic layer of insulation material. Monolithic layer on outer surface of cylinder displays roughness greater than roughness of monolithic layer on inner surface of cylinder. EFFECT: increased stability of thermal-technical characteristics of sensitive element in wide range of operational temperatures, optimization of dependence of output signal of sensitive element on measured characteristics of gas atmosphere. 2 cl, 2 dwg

Description

Область техники
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано при проектировании и изготовлении элементов тепловых газоанализаторов, в частности, чувствительных и сравнительных элементов термохимических (термокаталитических) газоанализаторов.Technical field
The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used in the design and manufacture of elements of thermal gas analyzers, in particular, sensitive and comparative elements of thermochemical (thermocatalytic) gas analyzers.

Предшествующий уровень техники
Известны чувствительные элементы термокаталитических датчиков горючих газов, выполненные в виде подогреваемой электрическим током спирали из проволоки, преимущественно платиновой, которая покрыта γ-окисью алюминия. Чувствительные элементы выполнены в виде тела вращения (шарика, эллипсоида) и помещены в камеры. Реакционная камера, в которую помещен рабочий чувствительный элемент, выполнена с возможностью захода в нее анализируемой среды, например, пористой (см. , например, Цибизов В.А. "Контроль взрывоопасной атмосферы предприятий с нефтегазопроявлениями", М., ИПКОН АН СССР, 1988, с. 92).State of the art
Sensitive elements of thermocatalytic sensors for combustible gases are known, made in the form of an electric current coil made of wire, mainly platinum, which is coated with γ-aluminum oxide. Sensitive elements are made in the form of a body of revolution (ball, ellipsoid) and placed in chambers. The reaction chamber, in which the working sensing element is placed, is made with the possibility of entering into it the analyzed medium, for example, porous (see, for example, V. Tsibizov "Control of the explosive atmosphere of enterprises with oil and gas manifestations", Moscow, IPKON AN USSR, 1988 , p. 92).

Эти чувствительные элементы имеют сравнительно большие габариты, а следовательно, и потребляемую мощность. Для уменьшения габаритов чувствительного элемента и потребляемой им мощности при изготовлении спирали используют микропровод, например, с платиновой проводящей жилой в кварцоидной изоляции (см., например, Карпов Е.Ф. "Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана", М., Наука, 1981, с.29-30). К недостаткам таких элементов следует отнести то, что из-за достаточно высокой упругости жилы микропровода при нагревании спирали трудно обеспечить стабильность геометрических размеров чувствительного элемента, что резко снижает его прочностные характеристики, плохо сохраняется его первоначальная геометрическая форма. Все это приводит к нарушению стабильности теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента. These sensitive elements are relatively large in size, and therefore the power consumption. To reduce the dimensions of the sensitive element and the power consumed by it in the manufacture of the spiral, a microwire is used, for example, with a platinum conductive core in quartzoid insulation (see, for example, Karpov E.F. “Physicotechnical fundamentals of automatic protection against methane emissions”, M., Science, 1981, pp. 29-30). The disadvantages of such elements include the fact that due to the sufficiently high elasticity of the microwire core when heating the spiral, it is difficult to ensure the stability of the geometric dimensions of the sensitive element, which sharply reduces its strength characteristics, and its initial geometric shape is poorly preserved. All this leads to a violation of the stability of the heat and power characteristics of the sensitive element.

Наиболее близким к изобретению является чувствительный элемент газоанализатора, содержащий нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции, концы спирали соединены с держателями, установленными в корпусе чувствительного элемента (см., Карпов Е.Ф. и др. "Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы", М., Недра, 1984, с.35). Этому элементу присуши те же недостатки, что и элементу, описанному выше. Closest to the invention is a sensing element of a gas analyzer containing a heating spiral in the form of a hollow cylinder formed by turns of a cast microwire, which is a conductive core in glass or glass-ceramic insulation, the ends of the spiral are connected to holders installed in the housing of the sensitive element (see Karpov E. F. et al. "Automatic gas protection and control of the mine atmosphere", M., Nedra, 1984, p. 35). This element has the same drawbacks as the element described above.

Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, повышение стабильности теплотехнических характеристик в широком диапазоне рабочих температур, оптимизация зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемых характеристик газовой среды.Disclosure of Invention
The objective of the invention is to remedy these disadvantages, increase the stability of thermal characteristics in a wide range of operating temperatures, optimize the dependence of the output signal of the sensing element on the measured characteristics of the gaseous medium.

Эта задача в изобретении решается за счет того, что в чувствительном элементе газоанализатора, содержащем нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции, а концы спирали соединены с держателями, установленными в корпусе чувствительного элемента, витки микропровода с внутренней и внешней поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем из материала изоляции, причем монолитный слой на внешней поверхности цилиндра выполнен с шероховатостью, большей, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней поверхности цилиндра. This problem in the invention is solved due to the fact that in the sensing element of the gas analyzer containing a heating spiral in the form of a hollow cylinder formed by turns of a cast microwire, which is a conductive core in glass or glass-ceramic insulation, and the ends of the spiral are connected to holders installed in the housing of the sensitive element , the turns of the microwire from the inner and outer surfaces of the cylinder are interconnected by a monolithic layer of insulation material, and the monolithic layer on the outer surface ited cylinder is formed with a roughness greater than the roughness of the monolithic layer on the inner surface of the cylinder.

Технический эффект, возникающий при этом, заключается в том, что обеспечивается стабильность геометрических размеров чувствительного элемента, хорошо сохраняется его первоначальная геометрическая форма, повышаются прочностные характеристики чувствительного элемента (и что очень важно и в диапазоне рабочих температур) и улучшается стабильность теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента, в том числе и при изготовлении его с нанесением на спираль γ-окиси алюминия или подобного вещества (носителя, катализатора и пр.). The technical effect arising from this is that the geometric dimensions of the sensitive element are ensured, its initial geometric shape is well preserved, the strength characteristics of the sensitive element are increased (and this is very important in the operating temperature range), and the stability of the heat and power characteristics of the sensitive element is improved, including in the manufacture of it with application to a spiral of γ-alumina or a similar substance (carrier, catalyst, etc.).

Значительно облегчается достижение технического эффекта за счет того, что изоляция микропровода выполнена из материала, имеющего верхний температурный предел диапазона пластического состояния, равный или выше температуры плавления материала жилы микропровода. The technical effect is much easier to achieve due to the fact that the insulation of the microwire is made of a material having an upper temperature limit of the range of plastic state equal to or higher than the melting temperature of the material of the microwire core.

При расположении чувствительного элемента со спиралью в камере поверхность нагрева расположена от стенки камеры на расстоянии, при котором зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемого параметра газовой среды оптимальна. Это позволяет еще больше повысить стабильность теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента. When a sensitive element with a spiral is located in the chamber, the heating surface is located from the chamber wall at a distance at which the dependence of the output signal of the sensitive element on the measured parameter of the gas medium is optimal. This allows you to further improve the stability of the heat and power characteristics of the sensitive element.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана нагревательная спираль чувствительного элемента газоанализатора; на фиг.2 - помещенный в камеру с пористыми стенками рабочий чувствительный элемент термокаталитического газоанализатора. In FIG. 1 shows a heating coil of a sensor element of a gas analyzer; figure 2 - placed in the chamber with porous walls of the working sensitive element of the thermocatalytic gas analyzer.

Лучший вариант осуществления изобретения
Чувствительный элемент газоанализатора содержит нагревательную спираль 1 в виде полого цилиндра 2. Цилиндр образован витками 3 литого микропровода, который представляет собой проводящую жилу 4 в стеклянной или стеклокерамической изоляции 5. Концы 6 спирали 1 соединены с держателями 7, установленными в корпусе 8 чувствительного элемента. Витки 3 микропровода с внутренней 9 и внешней 10 поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем 11 из материала изоляции 5. Монолитный слой на внешней 10 поверхности цилиндра имеет шероховатость большую, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней 9 поверхности цилиндра. Изоляция 5 микропровода выполнена из материала, имеющего верхний температурный предел диапазона пластического состояния, равный или выше температуры плавления материала жилы 4 микропровода.The best embodiment of the invention
The sensor element of the gas analyzer contains a heating coil 1 in the form of a hollow cylinder 2. The cylinder is formed by turns 3 of a cast microwire, which is a conductive core 4 in glass or glass-ceramic insulation 5. The ends 6 of the spiral 1 are connected to holders 7 installed in the housing 8 of the sensor. The windings 3 of the microwire with the inner 9 and outer 10 surfaces of the cylinder are interconnected by a monolithic layer 11 of insulation material 5. The monolithic layer on the outer 10 of the cylinder surface has a roughness greater than the roughness of the monolithic layer on the inner 9 of the cylinder surface. The insulation 5 of the microwire is made of a material having an upper temperature limit of the range of the plastic state equal to or higher than the melting temperature of the material of the core 4 of the microwire.

На фиг. 2, где изображен рабочий чувствительный элемент термокаталитического газоанализатора, на нагревательную спираль 1 из платины нанесена γ-окись алюминия до образования шарообразного элемента 12. Поверхность этого элемента 12 покрыта катализатором из металлов платиновой группы. Чувствительный элемент со спиралью 1 расположен в камере 13 с пористыми стенками 14. Расстояние от поверхности нагрева чувствительного элемента от стенок 14 камеры 13 выбрано таким, при котором зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемого параметра газовой среды (например, содержание горючих газов в воздухе) оптимальна. In FIG. 2, where a working sensing element of a thermocatalytic gas analyzer is depicted, γ-alumina is deposited on a heating coil 1 of platinum to form a spherical element 12. The surface of this element 12 is coated with a catalyst of platinum group metals. The sensing element with a spiral 1 is located in the chamber 13 with porous walls 14. The distance from the heating surface of the sensing element from the walls 14 of the chamber 13 is chosen so that the dependence of the output signal of the sensing element on the measured parameter of the gas medium (for example, the content of combustible gases in the air) is optimal .

Работа чувствительного элемента поясняется на примере работы газоанализатора для определения содержания горючих газов (метана) в анализируемой воздушной среде. Камеру 13 помещают в анализируемую среду, которая через стенки 14 попадает на элемент 12, поверхность которого с помощью нагревательной спирали поддерживают при заданной температуре. Благодаря каталитическим свойствам элемента 12 горючий газ сгорает на поверхности элемента 12. Выделяется дополнительное тепло, тепловой эффект от которого фиксируют с помощью включения нагревательной спирали 1 в измерительную схему (например, мостовую). Таким образом, выходной сигнал чувствительного элемента зависит от количества горючих газов в анализируемой атмосфере. The operation of the sensing element is illustrated by the example of the gas analyzer to determine the content of combustible gases (methane) in the analyzed air. The chamber 13 is placed in the analyzed medium, which through the walls 14 enters the element 12, the surface of which is supported by a heating spiral at a given temperature. Due to the catalytic properties of the element 12, combustible gas burns on the surface of the element 12. Additional heat is released, the thermal effect of which is recorded by the inclusion of a heating coil 1 in the measuring circuit (for example, bridge). Thus, the output signal of the sensing element depends on the amount of combustible gases in the analyzed atmosphere.

Промышленная применимость
Согласно изобретению были изготовлены чувствительные элементы из микропровода диаметром 14 мкм в стеклянной изоляции. Диаметр платиновой жилы 8 мкм. Из этого микропровода получают намоткой вплотную двенадцати витков полый цилиндр. Витки микропровода соединяют между собой сплавлением до образования на внутренней и внешней поверхностях цилиндра монолитного слоя из материала изоляции. Спираль затем покрывают γ-окисью алюминия до получения шарика с диаметром 0,45 мм. Наружную поверхность шарика рабочего чувствительного элемента покрывают платино-палладиевым катализатором. Чувствительные элементы (рабочий и сравнительный) помещают в цилиндрическую камеру из пористой керамики с внутренним диаметром 4,5 мм и высотой 6 мм. Размеры камеры и соответственно расстояние от поверхности нагрева до стенок камеры брали из условия оптимальной зависимости выходного сигнала от измеряемого параметра газовой среды. При указанных выше размерах величина выходного сигнала составляла 80 мВ/об.% СН₄, а быстродействие 15 с в однопроцентной поверочной смеси СН₄ с воздухом. Указанные чувствительные элементы показали хорошие результаты, лучше, чем у известных ранее, при определении концентрации (утечек) метана в колодцах, газопроводах и в бытовых условиях (квартирах, котельных). Чувствительные элементы по изобретению дали возможность улучшить определение концентрации в газовой атмосфере и других горючих газов.Industrial applicability
According to the invention, sensitive elements were made from a microwire with a diameter of 14 μm in glass insulation. The diameter of the platinum core is 8 microns. From this microwire, a hollow cylinder is obtained by winding closely twelve turns. The turns of the microwire are interconnected by fusion until a monolithic layer of insulation material is formed on the inner and outer surfaces of the cylinder. The spiral is then coated with γ-alumina to form a ball with a diameter of 0.45 mm. The outer surface of the ball of the working sensing element is coated with a platinum-palladium catalyst. Sensitive elements (working and comparative) are placed in a cylindrical chamber made of porous ceramic with an inner diameter of 4.5 mm and a height of 6 mm. The dimensions of the chamber and, accordingly, the distance from the heating surface to the walls of the chamber were taken from the condition of the optimal dependence of the output signal on the measured parameter of the gas medium. With the above dimensions, the output signal was 80 mV / vol.% CH ₄ , and the response time was 15 s in a one percent calibration mixture of CH ₄ with air. These sensitive elements showed good results, better than those previously known, when determining the concentration (leakage) of methane in wells, gas pipelines and in domestic conditions (apartments, boiler rooms). Sensitive elements according to the invention made it possible to improve the determination of the concentration in the gas atmosphere and other combustible gases.

Claims

1. The sensing element of the gas analyzer, containing a heating spiral in the form of a hollow cylinder formed by turns of a cast microwire, which is a conductive core in glass or glass-ceramic insulation, the ends of the spiral are connected to holders installed in the housing of the sensing element, characterized in that the turns of the microwire are internal and the outer surfaces of the cylinder are interconnected by a monolithic layer of insulation material, and the monolithic layer on the outer surface of the cylinder has a rough awn greater than the roughness of the monolithic layer on the inner surface of the cylinder.

2. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the insulation of the microwire is made of a material having an upper temperature limit of the range of plastic state equal to or higher than the melting temperature of the material of the microwire core.

3. The sensitive element according to claim 1 or 2, characterized in that when the sensitive element is arranged with a spiral in the chamber, the heating surface is located from the chamber wall at a distance at which the dependence of the output signal of the sensitive element on the measured gas medium parameter is optimal.