Устройство для измерения концентрации кислорода
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящзпо из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей , выход первогЬ усилителя под ключей к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения,у первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу (Л блока вычисления коэффициента коррек-i ции, а выход соединен с вторым входом сумматора.
0% (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК зим С 01 N 27/46
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
3*, ЩУ, А ю °
° е ее чФ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
I (21) 3510295/18-25 (22) 15.11.82 (46) 30.08.84. Бюл. Ó 32 (72) В.Е. Прохоров, В.В. Сауткин и Ю.П. Воронин (53) 543.247(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
У 365642, кл. G Oi И 27/46, 1973.
2. Авторское свидетельство СССР
9 555327, кл. С 01 Н 27/46, 1977 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей,, выход первого усилителя под ключен к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, о т л и ч а ющ е е с. я тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе элект-, рода сравнения, первый и второй входы которого йодключены соответственно Я к выходу второго усилителя и выходу блока вычисления коэффициента коррек-: Q). ции, а выход соединен с вторым входом С сумматора.
1111091
Изобретение относится к газовому анализу, а именно к измерению концентрации кислорода в газовых средах с помощью электрохимических газоанализаторов. 5
Известно устройство для измерения концентрации кислорода в газах, содержащее твердый электролит и измерительный и эталонный электроды 11.
Однако известное устройство ха- 10 рактеризуется недостаточной точностью измерения, сложностью реализации при измерении состава газа твердоэлектролитными ячейками.
Наиболее близким по технической 15 сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации .кислорода, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположе- 20 ны металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилите- 2 лей, а выход первого усилителя подключен к первому входу сумматора и первому входу преобразователя, с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора "21. ЗО
Недостаток данного устройства обусловлен зависимостью в реальных условиях точности измерения концентрации кислорода от степени различия величин перепадов температур на электродах ячеек, различия кислородной проницаемости и поляризации ячеек вследствие различных парциальных давлений кислорода в газовой фазе электродов сравнения и других факторов, 4О приводящих к изменению величины ЭДС ячеек не в соответствии с уравнением
Нернста во всем диапазоне измеряемых концентраций кислорода.
Цель изобретения — повышение точ45 ности измерения.
Поставленная цель достигается тем, что -в устройстве для измерения концентрации кислорода, содержащем твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектр литной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды 5 соединены с входами двух усилителей, выход первого усилителя подключен к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу блока вычисления коэффициента коррекции,. а выход соединен с вторым входом сумматора.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения концентрации кислорода.
Устройство содержит твердоэлектролитную ячейку 1, состоящую из двух камер 2 и 3, внутри которых располож ры металлические эталонные электроды 4 и 5 и на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод 6.
Измерительный электрод 6 и эталонный металлический электрод 4 соединены с входами усилителя 7, и из мерительный электрод 5 соединены с входами усилителя 8, выход усилителя
7 подключен к первому входу сумматора 9, входу блока 10 вычисления произведения коэффициента коррекции и входу преобразователя 11, выход усилителя 8 подключен к входу блока
10 вычисления коэффициента коррекции и входу вычислителя 12 произведения, выход которого подключен к входу сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к входу преобразователя 11, а выход блока 10 коэффициента коррекции подключен к входу вычислителя
12 произведения.
Устройство работает следующим образом.Твердоэлектролитная ячейка 1 пере4 мещается в анализируемую среду с парциальным давлением кислорода Р. В двух герметично отделенных друг бт друга камерах 2 и 3 поддерживается парциальное давление кислорода соответственно P, " Р . Внутри этих камер расположены металлические электроды 4 и 5, а снаружи — общий измерительный электрод 6. На базе твердоэлектролитной ячейки 1 сформированы две гальванические ячейки с одним
1 3 11091 измерительным электродом 6 и различными электродами 4 и 5 сравнения.
ЭДС Е1 и Е обеих гальванических ячеек после усиления в усилителях
7 и 8 поступает соответственно с выхода усилителя 7 .на сумматор 9, блок
10 вычисления коэффициента коррекции
К и преобразователь 11, а с выхода усилителя 8 — на блок 10 вычисления коэффициента коррекции К и вычислитель произведения К Е2, сигнал с выхода которого подается на сумматор
9, который производит алгебраическое суммирование Е и К Е . В преобразователе 11 осуществляется основная операция по определению сигнала, непосредственно характеризующего пар" циальное давление кислорода в анализируемом газе.
Р (} /} х
4fIyCTb Ро > Poz " }} Согласно закону Нернста выражения для ЭДС Е каждой ячейки: ат . р„ (1) % г где — ионное число персноса для данного матерна;}а электролита; — постоянная Фарадея; — газовая постоянная; Т вЂ” температура среды в зоне расположения измерительного электрода; ч РΠ— .парциальное давление О анализируемой среды; Р,Р— парциальное давление С электродов сравнения. Решая совместно уравнения (1) и (2) относительно Р,", получаем выражение для определения 4 Р . и функции Е4 и Eg }} Е, 02 < Е 2 р где r Яи Pog, К =Ьл (— ) роа 1ешая уравнения (1) и (2) относи= тельно Т, получаем выражение для определения Т и функции Е и Е1 т Са„-Eõ) k (4) М где = p. „, Р оа (îz Таким образом, по формуле (4), зная значения ЭДС Е и Е каждой ячейки,можно определить температуру в зо45 не измерительного электрода при каж-, дом измерении парциального давления. Известно, что эффект влияния на точность измерения парциального давления О различных факторов заключается изменении величины ЭДС каждой ячейки относительно расчетной по уравнению Нернста при данном парциальном давлении О в анализи10 руемой среде, а значит, и соответствующем изменении температуры Т, вычисленной по формуле (4). При этом если зафиксировать некоторое начальное значение темпера15 туры в зоне измерительного электрода ячеек Т, при которой расчетное по формуле (3) значение парциального давления 02 соответствует фактическому в анализируемой среде, то раз20 ность температур дТ = Т вЂ” Т}, при постоянной во времени температуре измерительного электрода будет характеризовать суммарную величину погрешности измерения, вносимую различием 25 перепадов температур на электродах ячеек, различием проницаемости, поля-. ризации и других факторов, приводящих к изменению величины ЭДС обеих ячеек не в соответствии с уравнением 30 Нернста. В связи с тем, что зависимость ЭДС ячеек от -.åìïåðàòóðû Т линейка, величину приращения ЭДС первой ячейки Е . относительно ЭДС второй ячейки Е от разности температур дТ = Т вЂ” Тр можно охарактеризовать некоторым коэффициентом коррекции К. Тогда выражение для ЭДС Е может быть записано в виде 40 Ел =КЕ . g. Йо 7) р Po () е ot где Е„- ЭДС ячейки при данном парциальном давлении кислорода в анализируемой среде Ро и температуре в зоне измерительного электрода To . Отсюда, если известно значение коэффициента коррекции К при данном .Р, то можно откорректировать ЭДС к 50 Е.} так, что ее приращение за счет изменения температуры в зоне измерительного электрода, рассчитанной по формуле (4), на T будет скомпенсировано. По формуле (5) находим выражение для коэффициента коррекции К Й(ч т)L а, Р Р, 1 э } у Я ХЬг = о Е РО S 11 Коэффициент коррекции может быть также найден по отношению величины аЕ = Е„ - Е при каждом измерении парциального давления 0 к величине АЕр = (Е4 — Е ) соответственно начальной температуре To . Действительно, раскрывая Т и Т по формуле (4) получаем для коэффициента коррекции К выражение фа .а аа. (Е,-Мк, м,. При этом скорректированное значение ЭДС ячейки, используемое для определения парциального давления 0> в анализируемой среде, по формуле (3) будет равно а формула (3) принимает вид a@» =1 л- — Кд к 14- л или после упрощений (8) B,- E, г Таким образом, на вьиоде преобразователя 11, осуществляющего при заданных значениях К,К,К> и найденном К вычисление по формуле (8), получают сигнал 1п Р, не эавися- и щий от различия перепадов температур на электродах ячеек, проницаемости и поляризации их и других факторов, приводящих к изменению ЗДС ячеек не в соответствии с уравнением Нернста. Пример применения предлагаемого устройства. Выберем в качестве газов сравне-! ния чистый кислород с Рц = 10 Па 11091 6 и воздух с Р„ = 0,21 ° 10 Па, парциальное давление С в анализируемом газе с РД = 101,308 Па, температуру в зоне измерительного электрода Т 1093 К. При этом коэффициенты К1,. К< К» будут равны: К4 = 5» Ка = Оэ6792; КЗ= Оэ03369 а ЭДС "кислородной" Е„ и "воздушной" Е ячеек — соответственно >0 162,Зппп и 125,6мЧ ° Предноложим, что температура в зоне измерительного электрода "кислородной" ячейки относительно воздушной ячейки, определяемая по фор" 15 муле (4), в результате воздействия неизотермичности, кислородной проницаемости и поляризации изменкпась на дТ = +10Р Тогда измеряемая ЭДС Е4 будет равна 163,8vnV . При этом 20 расчет величийы парциального давленйя кислорода по формуле (3) дает значение Р" = 122,5 Па, а относительная погрешность измерения составит Д = = 20,9Е. Определяем по формуле (6) значение коэффициента коррекции К Т 1103 К = — = — — = 1,009. 1093 30 .Расчет величины парциального давления кислорода по формуле (8) дает значение Р = 100;46 Па, а относительная погрешность измерения при этом составит d = 0,84X.. Таким образом, введение коррекции измеренного, значения ЭДС "воздушной" ячейки значительно снижает погрешность измерения парциального давления 40 кислорода в анализируемой среде. 1111091 4 5 Заказ 6303/36 Тираж 822 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Г. Боровик Редактор М. Келемеш Техред Л .Коцюбняк Корректор А. Зимокосов
