Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси

 

Устройство относится к области аналитического приборостроения. Сущность: устройство содержит последовательно соединенные по газовому тракту первую электролитическую ячейку, которая снабжена источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку, обладающую кислородоионной проводимостью при температуре более 600С, которая снабжена источником постоянного напряжения, двумя токоизмерительными приборами и двумя электрическими вентилями, и вторую электролитическую ячейку, которая снабжена источником постоянного напряжения и измерителем тока. При известном расходе газовой смеси о концентрации воды судят по току, прошедшему через первую электролитическую ячейку, а о концентрации кислорода и водорода судят по токам, прошедшим через твердоэлектролитную и электролитические ячейки. Технический результат изобретения - повышение точности измерения, надежности и упрощение конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности для измерения концентрации воды, кислорода и водорода при их совместном присутствии в газовых смесях.

Изобретение может быть использовано в технологических процессах, связанных с получением инертных газов, для контроля защитной атмосферы по воде, кислороду и водороду при термообработке металлов, при сварочных работах и в научно-исследовательских работах, связанных с обнаружением воды, кислорода и водорода в чистых газах.

Известно устройство для определения кислорода или водорода, содержащихся в газовой смеси, состоящее из электролитического дозатора кислорода либо водорода, осушителя, реактора с катализатором и электролитической ячейки для электролиза воды (патент ФРГ №1200575, кл. 42 14/16, 1963).

По известному устройству анализируемый газ поступает в дозатор, где в поток газа добавляется кислород или водород. Далее поток газа проходит через осушитель и поступает в реактор, где происходит взаимодействие определяемого компонента с добавленным. Образовавшаяся в результате реакции вода подвергается электролизу в электролитической ячейке. Ток электролиза позволяет судить о концентрации кислорода или водорода в анализируемом газе.

Основными недостатками устройства является периодичность анализа, невозможность определения обоих компонентов при их совместном присутствии и вследствие этого невысокая точность, т.к. в подавляющем большинстве кислород и водород в газах присутствуют совместно.

Известно также устройство для определения кислорода и водорода в пробе (патент США №3006836, кл.204-195, 1958), которое содержит дегидратор, хроматографическую колонку, дозатор, реактор и электролитическую ячейку для определения воды.

По известному устройству анализируемый газ смешивается с газом-носителем, очищается от паров воды с помощью дегидратора и далее поступает в хроматографическую колонку, где происходит разделение кислорода и водорода. После хроматографической колонки в газовую смесь дозируется либо кислород (при определении водорода), либо водород (при определении кислорода). Вода, полученная в результате реакции кислорода и водорода в реакторе, подвергается электролизу в электролитической ячейке. По току электролиза воды судят о концентрации определяемого компонента.

Основными недостатками описанного устройства являются невозможность непрерывного анализа, сложность аппаратурного оформления и необходимость использования для обслуживания квалифицированного персонала. Кроме того, невысокая точность, особенно при измерении микроконцентрации, т.к. анализируемый газ и газ-носитель содержат примеси кислорода и водорода.

Наиболее близкими к заявленному устройству является устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси (авторское свидетельство СССР №705320, кл. G 01 №27/46, 1979).

Устройство предназначено для измерения концентрации кислорода и водорода в газовой смеси и содержит дегидратор, реактор, электролитическую ячейку для разложения воды с источником напряжения, твердоэлектролитную ячейку с источником напряжения, измерители тока и два вентиля.

По известному устройству анализируемый газ с постоянным расходом поступает в дегидратор, где происходит осушка газа. Из дегидратора газ поступает в реактор, где происходит взаимодействие кислорода и водорода. После реактора газ поступает в электролитическую ячейку, в которой происходит электролиз воды, образовавшейся в реакторе. Ток электролиза воды при известном расходе газа пропорционален концентрациям кислорода и водорода, прореагировавшим в реакторе. После электролитической ячейки газ поступает в твердоэлектролитную ячейку, в которой происходит взаимодействие кислорода и водорода, образовавшихся в результате электролиза воды в электролитической ячейке, и в газе остается либо кислород, либо водород, т.е. тот компонент, который был в избытке в анализируемом газе. Если этим компонентом является кислород, то твердоэлектролитная ячейка под действием приложенного напряжения откачивает его в окружающий воздух. Если этим компонентом является водород, то твердоэлектролитная ячейка дозирует кислород из окружающего воздуха в поток газа (режим титрования).

Благодаря мостовой схеме с двумя вентилями и измерителями тока происходит сложение и выделение токов электролитической ячейки и твердоэлектролитной ячейки, по которым судят о концентрации кислорода и водорода.

Основными недостатками данного устройства является невысокая точность, сложность конструкции и низкая надежность.

Невысокая точность вызвана тем, что на выходе дегидратора даже при самом эффективном сорбенте присутствует влага, которая разлагается в электролитической ячейке, что вносит погрешность в измерение концентрации кислорода и водорода.

Кроме того, в процессе эксплуатации устройства происходит отработка сорбента дегидратора, т.е. увеличивается "проскок" влаги на выходе дегидратора, а это приводит к еще большему возрастанию погрешности измерения концентрации кислорода и водорода. По этой же причине уменьшается и надежность устройства.

Следует отметить, что сложность конструкции устройства увеличивает инерционность измерения, т.к. это обусловлено процессами сорбции влаги на внутренних поверхностях газового тракта.

Целью изобретения является повышение точности измерения, надежности и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее первую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку с источником постоянного напряжения, измерителем тока и двумя электрическими вентилями содержит также вторую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенную по газовому тракту после твердоэлектролитной ячейки.

На чертеже показана функциональная схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные газовым трактом первую электролитическую ячейку 1 для электролиза воды, содержащейся в анализируемом газе, твердоэлектролитную ячейку 2 для откачки кислорода из анализируемого газа в окружающий воздух или дозирования кислорода из окружающего воздуха в поток анализируемого газа, причем ее внутренний электрод 3 дополнительно используется в качестве реактора для химического взаимодействия кислорода и водорода, и вторую электролитическую ячейку 4 для электролиза воды, образовавшейся в реакторе.

Электролитические ячейки имеют одинаковую конструкцию, которая представляет собой цилиндрический стержень из платинового стекла, во внутреннем канале которого расположены электроды 5, 6 из платиновой и родиевой проволоки в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора, являющаяся высокоэффективным сорбентом.

Твердоэлектролитная ячейка конструктивно представляет собой трубку (или пробирку) из твердого электролита на основе диоксида циркония, например, состава (0,85ZrO2+0,15CaO), обладающего кислородоионной проводимостью при температуре более +400С. На внутреннюю и внешнюю поверхности трубки нанесены методом вжигания, соответственно, внутренний 3 и наружный 7 электроды из мелкодисперсной платины. Наружный электрод твердоэлектролитной ячейки контактирует с окружающим воздухом.

К электродам первой и второй электролитических ячеек, соответственно, последовательно подключены источники постоянного напряжения 8, 9 и измерители тока 10, 11.

К электродам твердоэлектролитной ячейки последовательно подключен источник постоянного напряжения 12 и две параллельные электрические цепи: одна цепь состоит из измерителя тока 13, электрического вентиля 14 и предназначена для измерения тока откачки кислорода из газа в окружающий воздух в случае превышения в газе концентрации кислорода над стехиометрической концентрацией водорода, другая цепь состоит из измерителя тока 15, электрического вентиля 16 и предназначена для измерения тока дозирования кислорода из окружающего воздуха в поток газа в случае превышения в газе концентрации водорода над стехиометрической концентрацией кислорода.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый газ с заданным расходом поступает в первую электролитическую ячейку. Вода, содержащаяся в анализируемом газе, полностью извлекается сорбентом электролитической ячейки и подвергается электролизу под действием приложенного к ее электродам напряжения. По току электролиза I1, измеренному измерителем тока 10, при известном расходе газа, концентрация воды в анализируемом газе определяется по соотношению

где - концентрация воды в анализируемом газе;

- электрохимический эквивалент воды;

Q - расход анализируемого газа;

I1 - ток электролиза воды первой электролитической ячейки.

Из первой электролитической ячейки газ поступает в твердоэлектролитную ячейку, рабочая часть которой, ограниченная электродами, находится при температуре выше +700С для обеспечения кислородоионной проводимости твердого электролита. Поступающий в твердоэлектролитную ячейку газ содержит кислород и водород, образованные в результате электролиза воды в первой электролитической ячейке, а также кислород и водород, содержащиеся в анализируемом газе.

В твердоэлектролитной ячейке будет образовываться вода за счет кислорода и водорода, выделенных первой электролитической ячейкой, а также за счет кислорода и водорода, содержащихся в анализируемом газе, причем один из этих компонентов, который был в недостатке, полностью перейдет в воду.

Если этим компонентом будет водород, то образовавшийся избыток кислорода в газе под действием приложенного напряжения к электродам твердоэлектролитной ячейки будет кулонометрически откачиваться из газа в окружающий воздух, при этом в электрической цепи будет протекать ток I3, направление и величина которого определяются электрическим вентилем 14 и измерителем тока 13.

Если этим компонентом будет кислород, то в образовавшийся избыток водорода в газе будет кулонометрически дозироваться кислород из окружающего воздуха под действием напряжения, определяемого за счет разности напряжения источника постоянного напряжения 12 и напряжения, возникающего для данного случая на электродах твердоэлектролитной ячейки, при этом в электрической цепи будет протекать ток I4, направление и величина которого определяется электрическим вентилем 16 и измерителем тока 15.

Газ с образовавшейся в твердоэлектролитной ячейке водой поступает во вторую электролитическую ячейку, в которой аналогичным образом, как и в первой электролитической ячейке, происходит электролиз воды. По току электролиза I2, измеренному измерителем тока 11, при известном расходе газа, судят о концентрации кислорода и водорода, которые прореагировали в твердоэлектролитной ячейке.

Концентрацию водорода и кислорода в анализируемом газе определяют из соотношений

где и - концентрация водорода и кислорода в анализируемом газе;

и - электрохимический эквивалент водорода и кислорода;

I1 - ток электролиза воды в первой электролитической ячейке;

I2 - ток электролиза воды во второй электролитической ячейке;

I3 - ток откачки кислорода твердоэлектролитной ячейки;

I4 - ток дозирования кислорода твердоэлектролитной ячейки.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, содержащее первую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку с источником постоянного напряжения, измерителем тока и двумя электрическими вентилями, соединенные последовательно газовым трактом, отличающееся тем, что, с целью непрерывного одновременного измерения концентрации воды, кислорода и водорода, повышения точности измерения и надежности, упрощения конструкции устройства, оно содержит вторую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенную по газовому тракту после твердоэлектролитной ячейки, причем о концентрации воды судят по току, протекающему через первую электролитическую ячейку, о концентрации водорода судят по разности токов второй и первой электролитических ячеек, о концентрации кислорода при превышении его концентрации над стехиометрической концентрацией водорода судят по сумме токов второй электролитической ячейки и твердоэлектролитной ячейки минус ток первой электролитической ячейки, а при превышении концентрации водорода над стехиометрической концентрацией кислорода о концентрации кислорода судят по разности токов второй и первой электролитических ячеек минус ток твердоэлектролитной ячейки.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Общество с ограниченной ответственностью "Ангарское - ОКБА"

(73) Патентообладатель:Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА"

Договор № РД0031621 зарегистрирован 23.01.2008

Извещение опубликовано: 10.03.2008        БИ: 07/2008




 

Похожие патенты:

Датчик // 2035806

Изобретение относится к области исследования жидких сред и может быть использовано при проектировании устройств для определения как степени, так и природы загрязнения природных и сточных вод

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в электронике, химотронике, электрохимических производствах , а также при научных исследованиях

Изобретение относится к средствам автоматизации количественного анализа и может быть использовано в системах контроля и регулирования в химической, коксохимической , металлургической и других отраслях промышленности для непрерывного измерения расплавов солей нитрата магния

Изобретение относится к химической технологии получения особочистых веществ и прецизионному химическому анализу, а именно к способу электрохимического детектирования субмикропримесей и сенсору для его осуществления

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к устройствам, предназначенным для измерения активности ионов натрия

Изобретение относится к теплоэнергетике и может применяться для контроля водного теплоносителя на тепловых и атомных электрических станциях

Изобретение относится к тестовому датчику аналита, содержащему, по меньшей мере, две подложки, образующие емкость, причем емкость имеет основную область и, по меньшей мере, две, по существу, химически изолированные вторичные зоны анализа, причем основная область, по существу, разделяет эти, по меньшей мере, две, по существу, химически изолированные вторичные зоны анализа; по меньшей мере, один первый рабочий электрод, включающий в себя первый проводник и композицию реагента, размещенный в основной области; по меньшей мере, один первый противоэлектрод, включающий в себя второй проводник и, по меньшей мере, одно первое окислительно-восстановительное вещество, размещенный в первой вторичной зоне анализа; и, по меньшей мере, один второй противоэлектрод, включающий в себя третий проводник и, по меньшей мере, одно второе окислительно-восстановительное вещество, размещенный во второй вторичной зоне анализа, при этом рабочий электрод, первый противоэлектрод и второй противоэлектрод являются независимо адресуемыми
Изобретение относится к области биофизики и прикладной биохимии и может быть использовано для контролируемого введения веществ в микрообъекты. Для этого вводят в микрообъект нанокапилляр, содержащий не менее двух изолированных друг от друга каналов, с последующим введением вещества. При этом используют нанокапилляр, у которого, по крайней мере, один из каналов содержит электрохимически активный материал и, по крайней мере, один канал содержит вводимое или генерирующее его вещество. Контроль за введением вещества осуществляют путем измерения изменения электрического потенциала и/или силы тока, обусловленных электрохимической реакцией на электрохимически активном материале в результате введения вещества. Изобретение позволяет повысить степень контроля за введением веществ в микрообъекты за счет определения дополнительных информативных параметров. 5 пр.

Изобретение может быть использовано для определения сплошности диэлектрических (например, полимерных) покрытий на металлическом прокате (например, стальном) в процессе выполнения деформации образцов с диэлектрическими покрытиями. Способ включает операцию подключения к измерительному прибору электролитической ячейки и образца с испытуемым покрытием и операцию создания контакта испытуемого покрытия с электропроводной жидкостью, которой предварительно заполняют электролитическую ячейку. Способ согласно изобретению дополнен операцией подключения источника тока в электрическую цепь, образованную металлическим образцом с испытуемым покрытием, электролитической ячейкой и измерительным прибором, и операцией, при осуществлении которой одновременно выполняют непрерывную деформацию металлического образца с испытуемым покрытием и непрерывный контроль сплошности нанесенного на него испытуемого покрытия. Изобретение обеспечивает возможность оперативного исследования сплошности диэлектрических (например, полимерных) покрытий и оперативного определения с высокой точностью прочности диэлектрических покрытий в процессе непрерывной деформации металлических образцов с диэлектрическими покрытиями, например при вытягивании в металлическом образце с покрытием лунки по Эриксену. 1 з.п. ф-лы.

Использование: для определения сплошности покрытия при его деформации. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит источник тока, измерительный прибор и электролитическую ячейку, изготовленную из диэлектрического материала, в нижнюю часть которой герметично вмонтирован электрод, а в верхней части закреплен контактный элемент, выполненный из пластичного коррозионно-стойкого материала, причем электролитическая ячейка снабжена системой ее заполнения электролитом, дополнительно устройство снабжено узлом деформации, под которым размещен подъемный столик с возможностью вертикального перемещения, при этом на подъемном столике жестко закреплена вертикальная направляющая с электролитической ячейкой, подпружиненной в направлении к узлу деформации, электрод подключен в электрическую цепь измерительного прибора и источника тока. Технический результат: обеспечение возможности быстрого контроля сплошности диэлектрических покрытий при деформации металлических образцов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх