Газоанализатор
Владельцы патента RU 2745082:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") (RU)
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду. Газоанализатор, состоящий из блока измерений и датчика, соединенных между собой межблочным кабелем, использующий в качестве чувствительного элемента ПТЭЯ с дополнительным электродом, значительно уменьшает время калибровки газоанализатора и дает хороший стабильный результат при выпуске газоанализатора из производства. 1 ил.
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду и при проведении научно-исследовательских работ, связанных с разработкой технологий получения чистых газов.
Известен серийно выпускаемый газоанализатор типа Флюорит (Пирог В.П. и др. Широко диапазонный твердоэлектролитный газоанализатор кислорода. Приборы, №3, 2007 г., с. 23-26), предназначенный для измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте. Газоанализатор имеет следующие технические характеристики:
диапазон измерений, % 10-6…100;
- основная относительная погрешность в зависимости от измеряемой концентрации, % ±4 ±6; ±0.
В качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭ), работающая при температуре (634±2)°С.
Чувствительный элемент газоанализатора выполнен в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при высокой температуре чисто кислородной проводимостью. Рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обеих сторон методом вжигания нанесены пористые платиновые электроды. Рабочим электродом является его внутренний электрод, электрод сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде платиновых дорожек. С наружной стороны чувствительный элемент омывается за счет естественной конвенции воздухом, который является сравнительной средой. Объемная концентрация кислорода в воздухе принимается равной 20.7%.
Сущность работы потенциометрической твердоэлектролитной ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода на границе "металл - твердый электролит" в газовой фазе устанавливается равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Величина этого потенциала будет зависеть от концентрации кислорода в газовой фазе. Так как потенциал электрода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой - сравнительным.
Разность электродных потенциалов связана с концентрацией кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде уравнением Нернста:
где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ячейки), В;
R - газовая постоянная Больцмана, Дж/моль⋅К;
Т - температура, К;
4F=4⋅96500 - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода, кл/моль;
- концентрация кислорода в сравнительной и анализируемой средах соответственно, %.
Конструктивно газоанализатор состоит из двух блоков - блока измерений и датчика.
Блок измерений газоанализатора состоит из следующих узлов:
преобразователя ЭДС ПТЭЯ в показания концентрации кислорода,
терморегулятора, который предназначен для точного поддержания температуры электродов ПТЭЯ.
Датчик газоанализатора состоит из следующих узлов: нагревателя, ПТЭЯ с токоотводом, термопары, которая установлена по центру возле наружного электрода, входного и выходного штуцеров предназначенных для подачи анализируемого газа.
Датчик и блок измерений газоанализатора соединены между собой межблочным кабелем.
Недостатком данного газоанализатора является схема поддержания температуры между внутренним и внешним электродами ПТЭЯ. В качестве датчика температуры используется термопара, которая своим спаем устанавливается рядом с центром наружного электрода ПТЭЯ. При такой установке термопары между наружным и внутренним электродами ПТЭЯ существует небольшой температурный градиент, что приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС).
Учитывая ТЭДС и содержание кислорода в сравнительной среде номинальная статическая характеристика преобразования принимает вид:
Где ET - ТЭДС ПТЭЯ, В.
Известен газоанализатор. Патент №2608979 от 30 января 2017 года, состоящий из блока измерения и датчика, соединенных между собой межблочным кабелем, где для устранения термо ЭДС в конструкцию датчика газоанализатора введена дополнительная термопара, которая своим спаем установлена рядом с закругленной частью пробирки ПТЭЯ, а электрически соединена последовательно с термопарой, установленного по центру наружного электрода ПТЭЯ.
Недостатком данного способа устранения ТЭДС ПТЭЯ является закрытая сложная конструкция датчика газоанализатора, не позволяющая точно установить термопару возле закругленной части пробирки.
Целью настоящего изобретения является устранение ТЭДС ПТЭЯ без применения дополнительной термопары.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента используется ПТЭЯ, работающая при температуре (634±2)°С, выполненным в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при высокой температуре чисто кислородной проводимостью. Рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обоих сторон методом выжигания нанесены пористые платиновые электроды. Рабочим электродом является его внутренний электрод, электрод сравнения и дополнительный электрод, выполненный в виде полукольца, находятся наружи. Площадь поверхности внутреннего электрода перекрывает поверхности сравнительного электрода и дополнительного электрода. Токоотводы от электродов выполнены в виде платиновых дорожек.
Дополнительный электрод выполняет функцию устранения ТЭДС ПТЭЯ и работает в соответствии с авторским свидетельством №488069 «Устройство для измерения расхода газа, которое содержит твердоэлектролитную ячейку, имеющую проницаемые платиновые электроды, на которые подается напряжение постоянного тока. Для дозирования кислорода в поток газа "плюс" источника соединяется с внутренним электродом, а "минус" с внешним и для выкачивания кислорода из потока газа "плюс" источника соединяется с внешним электродом.
На Фиг. 1 схематически изображен газоанализатор, использующий в качестве чувствительного элемента ПТЭЯ с дополнительным электродом.
Конструктивно газоанализатор выполнен из двух блоков - блока измерений и датчика.
Блок измерений состоит из следующих узлов:
1 преобразователя ЭДС ПТЭЯ в показания концентрации кислорода;
2 терморегулятора поддерживающего температуру ПТЭЯ;
3 источника постоянного тока (И, П, Т), задающего ток через дополнительный электрод для компенсации ТЭДС ПТЭЯ. Датчик газоанализатора состоит из следующих узлов:
4 нагревателя;
5 ПТЭЯ с дополнительным электродом;
6 термопары;
7 входного и выходного штуцеров для подачи и отвода анализируемого газа;
8 электрический контакт с внутренним электродом ПТЭЯ;
9 электрический контакт с наружным электродом ПТЭЯ;
10 электрический контакт с дополнительным электродом ПТЭЯ. Датчик и блок измерений газоанализатора соединены между собой межблочным кабелем.
Газоанализатор, собранный по схеме, приведенной на Фиг. 1, калибруется, т.е. убирается термоЭДС. Данная операция выполняется только один раз при выпуске газоанализатора из производства. Калибровка проводится в следующей последовательности.
Газоанализатор включают в работу и выжидают прогрева ПТЭЯ до температуры (634±2)°С, а затем подают на штуцер ВХОД ГАЗА анализируемый газ воздух. Воздух сначала проходит в промежутке между внутренним электродом и дополнительным, а затем поступает в промежуток между внутренним электродом и внешним. ЭДС, возникающая между внутренним и внешним электродами ПТЭЯ, по проводникам и межблочному кабелю поступает в блок измерений, где с помощью преобразователя ЭДС ПТЭЯ, работающего по формуле (1), преобразуется в показания объемной доли кислорода в воздухе.
Показания объемной доли кислорода на табло измерений для воздуха должны быть 20,7%, но если ПТЭЯ имеет термо ЭДС, то показания будут отличаться от этого значения.
Для компенсации ЭДС ПТЭЯ подключают источник постоянного тока с помощью перемычки между одним контактом источника постоянного тока и контактом внутреннего электрода и с помощью источника постоянного тока изменяют ток в цепи:
Общий контакт источника постоянного тока и внутреннего электрода ПТЭЯ, твердый электролит, контакт дополнительного электрода ПТЭЯ, другой контакт источника постоянного тока, что позволяет изменить содержание кислорода на величину термоЭДС.
При этом на табло блока измерений должны быть показания 20,7%. После установки показаний 20,7% фиксируют положение источника постоянного тока. На этом калибровка газоанализатора заканчивается и газоанализатор готов к продолжению работы. Теперь на вход газоанализатора можно подавать анализируемый гази он будет работать в соответствии с формулой (1).
Практический результат проведенных испытаний:
калибровка;
анализируемый газ воздух;
показания табло блока измерений 20,4%;
показания табло блока измерений после подключения источника постоянного тока и его регулировки - 20,7%;
показания табло после подачи газовой смеси ПГС кислорода в азоте 2.149% на табло было 2.15%.
Газоанализатор, состоящий из блока измерений и датчика, соединенных между собой межблочным кабелем, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ), выполненная в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при высокой температуре чисто кислородной проводимостью, рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обеих сторон методом вжигания нанесены пористые платиновые электроды, рабочим электродом является его внутренний электрод, электрод сравнения и дополнительный электрод, выполненный в виде полукольца, находятся снаружи, площадь поверхности внутреннего электрода перекрывает поверхность электрода сравнения и дополнительного электрода, а токоотводы от электродов выполнены в виде платиновых дорожек.
