Устройство для измерения концентрации кислорода в газах

Изобретение относится к области газового анализа и может быть применено в аналитическом приборостроении. Сущность изобретения: устройство для измерения концентрации кислорода в газах содержит потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, конструктивно выполненную из двух камер, разделенных твердым электролитом в виде мембраны с нанесенными на ее поверхность электродами из платины, измеритель ЭДС, подключенный к платиновым электродам, кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку и источник инертного газа с известной концентрацией кислорода. Анализируемый газ пропускают через одну камеру потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, а инертный газ после кулонометрической твердоэлектролитной ячейки пропускают через другую камеру, при этом концентрацию кислорода в анализируемом газе определяют по концентрации кислорода в инертном газе и концентрации кислорода, создаваемой током переноса кислорода через кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку, с учетом прошедшего через нее расхода инертного газа, при условии, что ЭДС на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки равна нулю. Изобретение позволяет повысить точность измерения концентрации кислорода в газах в диапазоне от 1·10-6 до 100%. 1 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в аналитическом приборостроении при разработке газоанализатора кислорода в газах в широком диапазоне измерений от 1·10-6 до 100 об.% с очень высокой степенью точности.

Широко известны устройства для измерения концентрации кислорода в газах, основанные на электромагнитных, электрохимических и термохимических методах измерения (Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. М.: Издательство стандартов, 1980). Созданные на базе этих устройств газоанализаторы кислорода обладают рядом ограничений и недостатков. В частности, газоанализаторы не предназначены для измерения микро- и малых концентраций, требуется периодическая калибровка на поверочных газовых смесях (ПГС), имеют невысокий класс точности и сложное аппаратурное оформление.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство (аналог), описанное в способе определения состава газа с помощью потенциометрической (гальванической) твердоэлектролитной ячейки (Патент США №3347767, Кл. G 01 №27/46, 1978). Потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ) представляет собой трубку из твердого электролита состава 0,85ZrO2+0,15Y2O3, обладающую кислородоионной проводимостью при температуре более 600°С. На внутреннюю и внешнюю поверхность трубки один против другого нанесены методом вжигания электроды из мелкодисперсной платины. Трубка помещена в электропечь, обеспечивающую разогрев электролита до температуры, достаточной для достижения кислородоионной проводимости. При пропускании анализируемого газа, концентрацию кислорода в котором нужно определить,относительно, например, внутреннего электрода, а сравнительного газа с известной концентрацией кислорода относительно внешнего электрода, на электродах ПТЭЯ возникает ЭДС, величина которой определяется уравнением Нернста:

где Е - ЭДС на электродах ПТЭЯ, В;

R=8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж·град-1·моль-1;

Т - температура электродов ПТЭЯ, К;

n=4 - число зарядов в ионизированной молекуле кислорода;

F=96500 - число Фарадея, Кл·моль-1;

С0, Сx - соответственно концентрация кислорода в сравнительном газе и анализируемом газе, %.

Устройство позволяет достаточно эффективно вести измерения концентрации кислорода в газах, однако обладает весьма существенными недостатками, приводящими к снижению точности измерения. К числу таких недостатков следует отнести наличие схемы измерения температуры электродов, так как абсолютная величина температуры входит в расчетную формулу, а также применение устройства для выравнивания температуры по всей длине электродов. Кроме того, устройство, осуществляющее способ измерения концентрации кислорода, не всегда удобно в реализации, так как расчетная градуировочная характеристика является логарифмической.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации кислорода в газах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения концентрации кислорода в газах содержит потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку (КТЭЯ) и источник инертного газа с известной концентрацией кислорода. Анализируемый газ, в котором необходимо измерять концентрацию кислорода, пропускают относительно одного электрода ПТЭЯ, а инертный газ после прохождения через КТЭЯ пропускают относительно другого электрода ПТЭЯ. Концентрацию кислорода в анализируемом газе определяют по концентрации кислорода в инертном газе и концентрации кислорода, создаваемой током переноса кислорода через КТЭЯ, с учетом прошедшего через нее расхода инертного газа, при условии, что ЭДС на электродах ПТЭЯ равна нулю.

На приведенном чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит потенциометрическую 3 и кулонометрическую 9 твердоэлектролитные ячейки из керамики состава 0,85ZrO2+0,15Y2J3. ПТЭЯ конструктивно выполнена в виде двух камер, разделенных твердым электролитом в виде мембраны 6, на которую нанесены платиновые электроды 4, 5. Для измерения ЭДС к электродам подключен вольтметр постоянного тока 14. КТЭЯ представляет собой трубку, на внешней и внутренней поверхности которой нанесены платиновые электроды 8, 10, к которым последовательно подключены токоизмерительный прибор 11 и регулируемый источник постоянного напряжения 13. Наружный электрод контактирует с атмосферным воздухом. Ячейки помещены в электропечи 2, 7 для обеспечения кислородоионной проводимости электролита. Источник инертного газа 12, например, баллон с азотом особой чистоты, для которого нормируется концентрация кислорода порядка 1·10-3%, подключен к входу КТЭЯ, а ее выход соединен газовым трактом, например, трубкой из нержавеющей стали с камерой ПТЭЯ, в которой расположен электрод 5. Выход данной камеры соединен с измерителем расхода газа 1.

Устройство работает следующим образом. Анализируемый газ с заданным расходом порядка 100÷150 см3/мин проходит через камеру ПТЭЯ, в которой расположен электрод 4. Инертный газ с заданным расходом порядка 50÷100 см3/мин проходит через КТЭЯ и поступает в камеру ПТЭЯ, в которой расположен электрод 5, и далее поступает в измеритель расхода газа. При прохождении инертного газа через КТЭЯ под действием приложенного напряжения к ее электродам осуществляется перенос кислорода по вакансиям кристаллической решетки электролита из атмосферного воздуха в поток инертного газа или из потока инертного газа в атмосферный воздух. Направление переноса кислорода через КТЭЯ зависит от значения ЭДС ПТЭЯ. Если концентрация кислорода в анализируемом газе меньше концентрации кислорода в инертном газе, то под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ будет осуществляться перенос кислорода из инертного газа в атмосферный воздух до тех пор, пока величина ЭДС ПТЭЯ не станет равной нулю. Если концентрация кислорода в анализируемом газе больше концентрации кислорода в инертном газе, то под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ будет осуществляться перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток инертного газа, пока величина ЭДС ПТЭЯ не станет равной нулю. Направление переноса кислорода через КТЭЯ определяется полярностью напряжения, прикладываемого к электродам. Так, если к внешнему электроду КТЭЯ подсоединить положительный полюс источника напряжения, то будет осуществляться перенос кислорода из инертного газа в атмосферный воздух и при изменении полярности будет осуществляться перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток инертного газа. Согласно уравнению (1) значение ЭДС ПТЭЯ будет равно нулю при условии, что Сx0.

При соблюдении этого условия концентрация кислорода в анализируемом газе будет определяться по формулам:

где С - концентрация кислорода в инертном газе, %;

К=9,69·10-4 - коэффициент, обусловленный выбором единиц физических величин,

I1 - ток переноса кислорода из инертного газа в атмосферный воздух, мкА;

I2 - ток переноса кислорода из атмосферного воздуха в поток

инертного газа, мкА;

Т - температура окружающего воздуха, К;

Q - расход рабочего газа через КТЭЯ, см3/мин;

P - атмосферное давление, мм рт.ст.

Повышение точности измерения концентрации кислорода в газах предлагаемым устройством по сравнению с аналогом достигается за счет исключения влияния погрешности в определении температуры электродов. Из формулы (1) следует, что независимо от значения температуры, величина ЭДС будет равна нулю только при условии равенства концентрации кислорода в газах, контактирующих с электродами ячейки. Кроме того, начиная с некоторой области измерения концентрации кислорода ослабевает влияние на точность измерения значение погрешности аттестации кислорода в инертном газе. Так, например, если требуется определить концентрацию кислорода в газах в диапазоне от 1 до 100%, то погрешность за счет применения инертного газа даже с содержанием кислорода 1·10-3% составит от 0,1 до 0,001% относительных.

Анализ существующего парка газоанализаторов кислорода, разработанных на базе прототипа, показывает, что основная относительная погрешность у таких газоанализаторов составляет от 10 до 4% в диапазоне концентраций от 1·10-6 до 100%.

Погрешность измерения концентрации кислорода предлагаемым устройством определяется погрешностью измерения ЭДС, тока, расхода инертного газа и концентрации кислорода в инертном газе. Существующие для этих целей средства измерений соответственно имеют погрешность 0,2; 0,2; 0,5; 2%. С учетом этих погрешностей предлагаемое устройство уверено обеспечивает измерение концентрации кислорода в диапазоне от 1·10-6 до 1% с относительной погрешностью ±3% и в диапазоне от 1 до 100% с относительной погрешностью ±1%.

Устройство для измерения концентрации кислорода в газах, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, конструктивно выполненную из двух камер, разделенных твердым электролитом в виде мембраны с нанесенными на ее поверхность электродами из платины, и измеритель ЭДС, подключенный к платиновым электродам, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения оно содержит кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку и источник инертного газа с известной концентрацией кислорода, причем анализируемый газ пропускают через одну камеру потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, а инертный газ после кулонометрической твердоэлектролитной ячейки пропускают через другую камеру, при этом концентрацию кислорода в анализируемом газе определяют по концентрации кислорода в инертном газе и концентрации кислорода, создаваемой током переноса кислорода через кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку, с учетом прошедшего через нее расхода инертного газа, при условии, что ЭДС на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки равна нулю.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу, и может быть использовано при разработке газоанализатора, предназначенного для измерения парциального давления кислорода в обогащенном кислородом воздухе, применяемом для дыхания экипажей высотных самолетов и в барокамерах.
Изобретение относится к области газового анализа и аналитическому приборостроению, в частности к технологии изготовления электродов на твердом электролите из стабилизированного диоксида циркония, и может быть использовано при производстве кислородных датчиков с электрохимической твердоэлектролитной ячейкой.

Изобретение относится к области контроля состава газовых смесей, содержания газов в жидкостях и может быть использовано преимущественно для измерения концентрации анализируемых газов в атмосфере производственных цехов промышленных предприятий, например в помещениях под защитной оболочкой атомных электростанций (АЭС), и для контроля содержания газов в жидкометаллических теплоносителях.

Изобретение относится к области приборостроения в аналитической химии и предназначено для контроля содержания органических загрязнений в объектах окружающей среды, в частности в природных и сточных водах или технологических растворах.

Изобретение относится к аналитической химии и приборостроению и может быть использовано для контроля органических загрязнений в объектах окружающей среды, в частности в природных и сточных водах и технологических растворах.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в энергетике, ядерной технике, химической технологии, металлургии, газовом анализе для измерения содержания водорода в расплавах щелочных металлов и их парах, инертных газах и водяном паре

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов, а точнее к системам, определяющим содержания кислорода, использующим твердоэлектролитные ячейки, и может быть использовано в прикладной электрохимии, металлургии, энергетике, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода в жидких и газовых средах

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к области анионпроводящих неорганических твердых электролитов, а именно к керамическим твердым электролитам, обладающим высокой проводимостью по сульфид-ионам в области температур (300-500°С), и может быть использовано для исследования кристаллических и аморфных полупроводниковых сульфидов методом ЭДС, в составе электрохимических ячеек для кулонометрического изменения состава нестехиометрических соединений и для газового анализа серосодержащих сред, в твердоэлектролитных источниках тока

Изобретение относится к аналитической химии и приборостроению, может быть использовано для различных анализов жидкой пробы и направлено на уменьшение времени анализа и увеличение воспроизводимости результатов анализа за счет автоматизации забора жидкой пробы перед ее перемещением в реактор, а также возможности забора пробы как из одиночной емкости, так и из множества емкостей, проходящих точку забора пробы, а также из потока анализируемой жидкости

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам для анализа газовых сред

Изобретение относится к устройствам для контроля параметров газовых сред, в частности к контролю газовых смесей, содержащих кислород и водород, и может быть использовано в атомной энергетике, транспортном, химическом машиностроении и других отраслях техники, например, для контроля водородной взрывобезопасности. Система контроля кислорода и водорода в газовых средах содержит канал, входной сенсор водорода, расположенный во входной части полости канала, входной каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала за входным сенсором водорода, выходной сенсор водорода и сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала после входного каталитически активного элемента, причем сенсоры подключены к системе регистрации и управления. Система дополнительно снабжена выходным каталитически активным элементом, установленным в поперечном сечении выходной части полости канала за выходным сенсором водорода и сенсором кислорода, причем входной и выходной каталитически активные элементы снабжены автономными нагревателями для поддержания коэффициента рекомбинации водорода на каталитически активных элементах равным 1. Изобретение обеспечивает возможность непрерывного контроля кислорода и водорода в газовой смеси в объеме помещения с высокой степенью точности и надежности. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану (11), пористую электроизоляционную керамику (7) и корпус (5) с потенциалосъемником (9), керамический чувствительный элемент (4) с эталонным электродом (14), пористый платиновый электрод (8), кремнеземную ткань (6), соединительный материал (12), пробку (10) с отверстием, гермоввод (2), цилиндрическую втулку (1). Полость корпуса (5) между гермовводом (2) и керамическим чувствительным элементом (4) герметична. Керамический чувствительный элемент (4) выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента (4) герметично соединена с корпусом (5) посредством соединительного материала (12). Эталонный электрод (14) расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента (4) и поверхностью пробки (10). Наружная сферическая часть керамического чувствительного элемента (4) покрыта слоем пористого платинового электрода (8). Конец центральной жилы (13) выведен через отверстие в пробке (10) в объем эталонного электрода (14). Втулка (1) соединена с нижней частью корпуса (5). Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей, снижении стоимости и увеличении быстродействия датчика. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для определения концентрации кислорода и водорода в газовой среде относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров газовых сред, в частности содержащих кислород и водород. Устройство состоит из канала (7), расположенного под углом к горизонту, входного сенсора водорода (2) и входного сенсора кислорода (3), расположенных во входной части полости канала (7), входного каталитически активного элемента (1), установленного в полости канала (7) над выходными сенсорами водорода (2) и кислорода (3), выходного сенсора водорода (5) и выходного сенсора кислорода (6), расположенных в полости канала (7) между входным (1) и выходным (4) каталитически активными элементами. Причем входной (2) и выходной (4) каталитически активные элементы выполнены из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием. В качестве входного сенсора водорода (5) и выходного сенсора водорода (7) использованы твердоэлектролитные датчики концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики. Технический результат заключается в повышении быстродействия и чувствительности устройства, обеспечении защиты от ошибочных показаний устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения кислородосодержания и влажности газов. Способ измерения кислородосодержания и влажности газа. В поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположена пара электродов, к электродам дисков подают напряжение постоянного тока. При напряжении величиной 500-700 мВ откачивают свободный кислород, находящийся во внутренней полости ячейки, и по величине предельного тока, соответствующего содержанию свободного кислорода в анализируемом газе, определяют кислородосодержание. При дальнейшем увеличении напряжения до 1300-1500 мВ из полости ячейки откачивают связанный кислород и по величине предельного тока, соответствующего суммарному содержанию свободного кислорода в анализируемом газе и связанного кислорода, полученного в результате электролиза паров воды, определяют влажность анализируемого газа. Техническим результатом является расширение арсенала средств для измерения влажности анализируемого газа и возможность дополнительно определять кислородосодержание в нем, а также повышение надежности способа. 2 ил.
Наверх