Амперометрический способ измерения концентрации горючих газов в азоте

Изобретение направлено на возможность измерения горючего газа в смеси с азотом или другим инертным газом. Способ заключается в том, что в поток анализируемого горючего газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной герметично соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из которых расположена пара электродов, к электродам подают напряжение, необходимое для получения предельного тока, протекающего через ячейку, по величине которого определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси. При этом используют ячейку с полостью, образованной дисками из кислородпроводящего твердого электролита с электродами из каталитического материала, для получения предельного тока к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 300-500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, и по величине возникающего при этом предельного тока определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси. Изобретение обеспечивает возможность достаточно просто и надежно измерить содержание различных горючих газов в смеси с азотом. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения содержания горючих газов, таких как водород, монооксид углерода и этана, в азоте.

Наибольшее распространение для измерения содержания горючих газов получили способы с применением термокаталитических и полупроводниковых сенсоров, принцип действия которых аналогичен. Действие термокаталитического сенсора основано на том, что при прохождении горючего газа, находящегося в смеси с воздухом, по поверхности каталитического плеча сенсора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру катализатора, выполненного в виде пеллистора. Это, в свою очередь, ведет к изменению его сопротивления, которое можно измерить. Изменение сопротивления, находящееся в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, отображают на измерительном инструменте или индикаторе.

Действие полупроводниковых сенсоров горючего газа также как и у каталитических сенсоров, основано на свойствах поглощения газа поверхностью нагретого оксида. Это тонкая пленка окиси металла (обычно оксиды переходных или тяжелых металлов, таких как олово) на кремниевой пластине. Поглощение горючего газа поверхностью оксида с последующим каталитическим окислением ведет к изменению электрического сопротивления оксидного материала и может быть соотнесено с концентрацией газа образца (Портативные сенсоры для анализа водорода. Добровольская Ю.А., Леонова Л.С., Укше А.Е., Левченко А.В., Баранов A.M., Васильев А.А. Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева), 2006, т. 1, №60) [1].

Использование полупроводниковых сенсоров известно в способе измерения концентрации горючих газов (RU 2239824, публ. 27.11.2003) [2]. Способ заключается в пропускании номинального значения электрического тока через полупроводниковый сенсор, помещение сенсора в чистый воздух, настройку схемы в нулевое положение, помещение сенсора в среду с анализируемым газом и измерение содержания горючего газа в этой среде, при этом перед настройкой через сенсор пропускают постепенно увеличивающийся электрический ток от 0 до 135% номинального тока, указанного в паспорте на прибор, в течение времени, позволяющего свести к минимуму время настройки прибора, после чего автоматически переходят на номинальное значение тока питания сенсора.

Данный способ не позволяет анализировать горючий газ в смеси с инертным газом (азотом, аргоном, гелием). Необходимым условием его работоспособности является наличие окислителя (кислорода) в анализируемом газе. Только в присутствии окислителя горючий газ, сгорая, выделяет тепло и меняет сопротивление сенсора. Кроме того, указанный способ нуждается в сложной и достаточно трудоемкой процедуре настройки, что усложняет эксплуатацию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения концентрации водорода в газовых смесях с помощью твердоэлектролитного амперометрического сенсора (RU 2483299, публ. 27.05.2011) [3]. Сенсор представляет собой электрохимическую ячейку, содержащую два электрода, нанесенные на противоположные поверхности одного из герметично соединенных между собой дисков из твердого протонпроводящего электролита состава CaZrO3. Ячейку помещают в поток анализируемого газа, к электродам подают напряжение, не превышающее 1 вольт, в результате водород диффундирует из анализируемого газа во внутреннюю полость ячейки. Водород, который продиффундировал, из полости ячейки откачивают в анализируемый газовый поток. При этом вследствие высокой текучести водород из анализируемого газа непрерывно поступает из окружающей среды внутрь полости ячейки. Ток, протекающий через второй слой из твердого электролита, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током. Измерив величину этого предельного тока, характерную для данной концентрации водорода, по известному уравнению однозначно определяют концентрацию водорода в анализируемой среде.

Таким образом, в известном амперометрическом способе измерения концентрации водорода в газовых смесях используют величину предельного тока, протекающего через ячейку, которую получают подачей напряжения к электродам, величина которого необходима для получения предельного тока. Поскольку известный способ включает применение электрохимической ячейки, содержащей электроды из твердого протонпроводящего электролита состава CaZrO3, получаемый предельный ток будет обусловлен только наличием водорода в анализируемом газе. Другие горючие газы генерировать ток, в том числе и предельный, не могут. Кроме того, технология производства протонпроводящих электролитов довольно сложна и трудоемка.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего достаточно просто и надежно измерять содержание разных горючих газов в смеси с азотом.

Для решения поставленной задачи амперометрический способ измерения концентрации горючих газов в азоте, также как известный, заключается в том, что в поток анализируемого горючего газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной герметично соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из которых расположена пара электродов, к электродам подают напряжение для получения предельного тока, протекающего через ячейку, по величине которого определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси. Способ отличается тем, что используют ячейку с полостью, образованной дисками из кислородпроводящего твердого электролита с электродами из каталитического материала, для получения предельного тока к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 300-500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, и по величине возникающего при этом предельного тока определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси.

В качестве каталитического материала электродов можно использовать платину.

При подаче на электроды электрохимической ячейки напряжения постоянного тока, при условии, что плюс от источника подается на внутренний электрод, в цепи возникает ток и происходит накачка кислорода из анализируемого газа, омывающего ячейку в полость ячейки. Кислород в незначительных количествах всегда присутствует в азоте или в другом инертном газе. В полости ячейки накаченный кислород взаимодействует с горючим газом, поступившим туда в смеси с азотом по капилляру из анализируемой среды. При этом на поверхности внутреннего электрода ячейки, выполненного из платины или другого каталитического материала, будет интенсивно идти процесс взаимодействия горючего газа с кислородом в соответствии с реакциями (1-4):

При достижении напряжения постоянного тока величины 300-500 мВ ток стабилизируется и перестает расти с ростом напряжения. Полученный ток является предельным током, а его величина обусловлена газообменом между анализируемой средой и газом в полости ячейки. При этом в полости ячейки находится смесь анализируемого газа и продуктов взаимодействия по одной из реакций (1-4). Величина предельного тока сенсора лимитируется диффузионным барьером - капилляром сенсора и связана с концентрацией горючего газа уравнением (5) (Иванов-Шиц, И. Мурин. Ионика твердого тела, том 2, С.-Петербург (2010) СС. 964-965) [4]:

где: I - величина предельного тока, А;

F - константа Фарадея, Кл/г·экв;

D - коэффициент диффузии горючего газа в азоте, см2/с;

S - площадь сечения капилляра, мм2;

P - общее давление газовой смеси, Па;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/мол·К;

T - температура анализа, К;

L - длина капилляра, мм.

X (горючий газ) - мольная доля горючего газа в смеси с азотом;

При малых значениях X(горючий газ) уравнение (5) приобретает вид:

В соответствии с уравнением (6) достаточно легко рассчитать содержание горючего газа по измеренному значению предельного тока (IL(горючий газ-азот)). При этом может быть измерено содержание любого горючего газа, который взаимодействует с кислородом на катализаторе, то есть электроде из каталитического материала при температурах 400-700°C.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в возможности измерения горючего газа в смеси с азотом или другим инертным газом и упрощении измерительного устройства, изготовленного из простого и хорошо изученного кислородпроводящего твердого электролита.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена электрохимическая ячейка для реализации способа; на фиг. 2 - вольтамперная характеристика при анализе водорода в смеси водород+азот при 500°C; на фиг. 3 - вольтамперная характеристика при анализе монооксида углерода в смеси монооксид углерода+азот при 500°C; фиг. 4 - вольтамперная характеристика при анализе этана в смеси этан+азот при 500°C; фиг. 5 - зависимость предельного тока от концентрации горючих газов при 500°C. Ячейка состоит из двух дисков 1, выполненных из кислородпроводящего твердого электролита - оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Диски соединены между собой газоплотным герметиком 2 с образованием внутренней полости 3. На противоположных поверхностях одного из дисков 1 расположены два электрода 4. Между дисками находится капилляр 5. Подача напряжения на электроды 4 осуществляется от источника напряжения постоянного тока (ИН). Ток, возникающий в цепи ячейки, измеряется амперметром (А). Электрохимическая ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность и по капилляру 5 поступает во внутреннюю полость ячейки 3. Под действием напряжения постоянного тока, приложенного от источника (ИН) к электродам 4, причем на внутренний электрод приложен плюс, через твердый кислородпроводящий электролит происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость 3 устройства. В полости 3 поступивший кислород взаимодействует с горючим газом. Образовавшиеся продукты взаимодействия в соответствии с уравнениями (1-4) обмениваются через капилляр 5 с анализируемым газом. При этом капилляр 5 является диффузионным барьером, лимитирующим этот газовый поток обмена. Этому потоку обмена будет соответствовать и ток ячейки. При достижении приложенного напряжения величины в пределах 300-500 мВ, газообмен между полостью ячейки и анализируемой средой стабилизируется и в цепи устанавливается предельный диффузионный ток - IL(горючий газ-азот), который измеряют с помощью амперметра (А). Посредством уравнения (5) по величине измеренного IL(горючий газ-азот) можно определить величину X(горючий газ), т.е. концентрацию горючего газа в азоте.

Таким образом, заявленный способ позволяет измерить содержание горючего газа в смеси с азотом или другим инертным газом посредством амперометрической ячейки с кислородпроводящим твердым электролитом.

1. Амперометрический способ измерения концентрации горючих газов в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого горючего газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной герметично соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из которых расположена пара электродов, к электродам подают напряжение, необходимое для получения предельного тока, протекающего через ячейку, по величине которого определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси, отличающийся тем, что используют ячейку с полостью, образованной дисками из кислородпроводящего твердого электролита с электродами из каталитического материала, для получения предельного тока к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 300-500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, и по величине возникающего при этом предельного тока определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве каталитического материала электродов используют платину.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах содержит керамический чувствительный элемент (3), герметично размещенный в металлическом корпусе (4), электрод сравнения (8), потенциалосъемный вывод (5), измерительный электрод (2), нанесенный на внешнюю часть керамического чувствительного элемента (3).

Изобретение может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений.

Чувствительный элемент электрохимического датчика водорода в газовых смесях. Может быть использован для измерения концентрации водорода в воздухе и в инертном газе.

Изобретение может быть использовано для измерения концентрации монооксида углерода в воздухе и в инертном газе. Чувствительный элемент электрохимического датчика монооксида углерода в газовых смесях выполнен в виде таблетки из твердого оксидного электролита, на одну из поверхностей таблетки припечен электрод сравнения, на противоположную - измерительный электрод, при этом твердый оксидный электролит выполнен на основе оксида церия состава Ce0.8(Sm0.8Ca0.2)0.2O2, электрод сравнения выполнен из манганита лантана-стронция состава La0.6Sr0.4MnO3, а измерительный электрод - из оксида цинка ZnO.

Использование: для контроля заполнения сорбентом кулонометрических чувствительных элементов после их изготовления или регенерации. Сущность: заключается в том, что с целью улучшения качества контроля заполнения сорбентом чувствительного элемента после его изготовления или регенерации количество сорбента определяют периодом времени активного поглощения влаги этим сорбентом без воздействия на электроды элемента постоянного напряжения.

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

Изобретение относится к газовым датчикам, используемым во многих областях техники для удовлетворения растущих требований по экологии и безопасности. .

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

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к твердо-электролитным датчикам для анализа газовых сред. .

Изобретение относится к технике газового контроля и может быть использовано для калибровки газоанализаторов фтористого водорода. .

Изобретение относится к электрохимическим устройствам с твердым оксидным электролитом и может быть использовано в качестве кислородного электрода в электрохимических датчиках кислорода, работающих в окислительных средах в интервале температур 700-1000°C. Согласно изобретению, материал содержит оксид иттрия, оксид кальция, оксид хрома и оксид кобальта при следующих соотношениях по формуле: Y1-xCaxCr1-yCoyO3, где x=0,1; y=0,4. Максимальная электропроводность материала достигается при температуре от 700°C до 1000°C. Повышение электропроводности материала указанного состава, является техническим результатом изобретения. 2 табл.

Изобретение относится к датчикам выхлопных газов. Датчик (100, 200) выхлопных газов сконфигурирован для определения концентрации кислорода или соотношения компонентов в воздушно-топливной смеси в составе выхлопных газов. Датчик выхлопных газов содержит чувствительный элемент (10) и реакционный слой (20) для марганца. Чувствительный элемент определяет концентрацию кислорода или соотношение компонентов в воздушно-топливной смеси. Реакционный слой для марганца нанесен, по меньшей мере, на часть чувствительного элемента и образован веществом, содержащим элемент, который образует сложный оксид, содержащий марганец, в ходе реакции с оксидом марганца в составе выхлопных газов. Датчик выхлопных газов сконфигурирован для определения концентрации кислорода или соотношения компонентов в воздушно-топливной смеси выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, который работает на топливе с содержанием Mn выше 20 ppm. Техническим результатом является обеспечение возможности эффективно предотвращать задержку сигнала датчика, а следовательно, повышение точности определения концентрации кислорода. 7 з.п. ф-лы, 15 ил., 2 табл.

Датчик (100) отработавших газов выполнен с возможностью измерения концентрации кислорода или соотношения компонентов в воздушно-топливной смеси в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания. Датчик отработавших газов включает чувствительный элемент (10) и стеклянное пленочное покрытие (20). Чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения концентрации кислорода или соотношения компонентов в воздушно-топливной смеси в датчике отработавших газов. Стеклянное пленочное покрытие (20) сформировано, по меньшей мере, на части поверхности чувствительного элемента и способно к поглощению компонента с Mn, содержащегося в отработавших газах, при температуре 700°C. В двигателе внутреннего сгорания используют топливо, имеющее концентрацию Mn свыше 20 ppm. Изобретение обеспечивает возможность снижения задержки сигнала датчика за счет предотвращения режима накопления кислорода. 4 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

Изобретение относится к устройству для определения концентрации газа, которое способно получать точную концентрацию оксида серы (SOX), содержащуюся в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания. Устройство для определения концентрации газа включает в себя элемент определения концентрации газа и электронный блок управления. Элемент определения концентрации газа включает в себя первый электрохимический элемент. Электронный блок управления сконфигурирован для определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основе первого определенного значения, согласованного с током, текущим через первый электрохимический элемент, полученного, когда первое заданное напряжение приложено к первому электрохимическому элементу. Первое заданное напряжение представляет собой напряжение, при котором вода и оксид серы, содержащиеся в исследуемом газе, разлагаются на первом электроде первого электрохимического элемента. Изобретение обеспечивает создание устройства для определения концентрации газа, которое способно определять концентрацию оксида серы, содержащегося в выхлопных газах, являющихся исследуемым газом, с высокой степенью точности при использовании газоанализатора предельного тока. Изобретение обеспечивает создание устройства для определения концентрации газа, которое способно определять концентрацию оксида серы, содержащегося в выхлопных газах, являющихся исследуемым газом, с высокой степенью точности при использовании газоанализатора предельного тока. 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду. Предложено ввести дополнительную термопару в газоанализатор, использующий ПТЭЯ для измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте. Дополнительная термопара своим спаем установлена рядом с закругленной частью пробирки ПТЭЯ, а электрически соединена последовательно с термопарой, установленной по центру возле наружного электрода ПТЭЯ. Технический результат – устранение термоЭДС ПТЭЯ. 1 ил.

Изобретение относится к области газового анализа. Способ измерения содержания углекислого газа в азоте согласно изобретению заключается в том, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из протонопроводящего твердого электролита состава La0,9Sr0,1ΥΟ3-σ, на противоположных поверхностях одного из дисков расположены электроды, на которые подают напряжение постоянного тока в пределах 400-500 мВ с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и накачку полученного в результате электролиза водорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи диска с электродами: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов восстановления углекислого газа из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию водорода, потраченного на восстановление углекислого газа, определяют концентрацию углекислого газа в азоте. Изобретение обеспечивает возможность просто и надежно измерять содержание углекислого газа в азоте. 3 ил.

Изобретение относится к технике безопасности на предприятиях, а именно к автоматическим средствам измерения концентрации газов. Техническим результатом является повышение эффективности контроля параметров атмосферы за счет увеличения количества измеряемых значений и снижения их погрешности. Устройство контроля параметров атмосферы, содержащее корпус, дисплей, модуль сбора и обработки информации, содержащий базу предельных значений концентрации опасных газов, модуль измерения газового состава с датчиками опасных газов, звуковую и световую сигнализацию. Корпус выполнен во взрывозащитном исполнении, и устройство дополнительно содержит модуль передачи информации, модуль измерения температуры, давления, влажности, а модуль измерения газового состава снабжен пробоотборным насосом, измерительной камерой и датчиком расхода газовой смеси, передающим сигналы на модуль сбора и обработки информации и контролирующим работу пробоотборного насоса, датчики опасных газов встроены в измерительную камеру. Второй вариант устройства содержит выносной измерительный блок с модулем измерения газового состава и модулем измерения температуры, давления, влажности и работает без пробоотборного насоса. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам контроля газа. Устройство содержит узел передатчика и узел датчика. Узел передатчика содержит дисплей, элемент памяти, процессор, схему расширения, интерфейс источника питания, схему контроля, схему для программирования и тестирования передатчика, схему искрозащиты на базе диода Зенера, интерфейс PCB. Датчик содержит схему памяти, процессор, чувствительные элементы датчика, схему нормирования сигналов. Также устройство содержит схему регулирования питания, снабженную двумя потенциометрами, предназначенными для регулирования высокого и низкого напряжения соответственно. Процессор передатчика выполнен с возможностью сравнения напряжения на датчике с эталонным напряжением для определения необходимости регулирования напряжения на датчике. Также устройство включает усилитель, связанный с датчиком для создания установок усиления, используемых для оптимизации разрешения датчика изменением значения усиления для датчика. Это обеспечивает использование одного датчика для множества различных диапазонов концентрации. Технический результат - обеспечение увеличенного диапазона изменения чувствительности. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к устройству для определения концентрации газа: оксида серы (SOX), содержащегося в выхлопных газах из двигателя внутреннего сгорания. Устройство определения концентрации газа включает в себя элемент определения концентрации газа и электронный блок управления. Элемент определения концентрации газа включает в себя первый электрохимический элемент и второй электрохимический элемент. Электронный блок управления выполнен с возможностью определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании полученного первого определенного значения, согласованного с током, текущим через первый электрохимический элемент, когда первое удаляющее напряжение подано на второй электрохимический элемент, и измерительное напряжение подано на первый электрохимический элемент. Изобретение обеспечивает возможность концентрации газа - оксида серы, содержащегося в выхлопных газах, с наивысшей степенью точности, возможной при использовании газоанализатора предельного тока. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений относится к области газового анализа. Мультисенсорный газоаналитический чип (МГЧ) включает диэлектрическую подложку со сформированным набором компланарных полосковых электродов, поверх которых нанесен матричный слой из вискеров титаната калия общей химической формулы КхН2-хTinO2n+1, где х=0-2, n=4-8. При этом каждая пара электродов образует сенсорный сегмент матричного слоя вискеров титаната калия, плотность которого различна для разных сегментов и сопротивление которого изменяется под воздействием горючих газов при комнатной температуре. Согласно способу изготовления мультисенсорного газоаналитического чипа на основе вискеров титаната калия диэлектрическую подложку промывают в органическом растворителе и дистиллированной воде, сушат под вакуумом при температуре 60-100°С, наносят на поверхность подложки набор компланарных полосковых электродов из благородного металла толщиной 0,1-1 мкм и шириной 50-200 мкм с зазором между электродами 10-100 мкм методом катодного и/или магнетронного напыления, поверх электродов наносят суспензию из диспергированного в дистиллированной воде порошка вискеров титаната калия концентрацией 0,01-5 мас.% и сушат полученную структуру при комнатной температуре в течение 24 часов. Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в создании МГЧ на основе слоя вискеров титаната калия (ВТК), позволяющего проводить анализ вида газовой среды при комнатной температуре, что ведет к существенному снижению энергопотребления такого вида устройств и расширению области его технического применения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх