Способ определения водорода в газовой и жидкой среде

 

Использование: контроль сред на содержание водорода. Сущность изобретения: способ определения водорода в газовой и жидкой среде включает введение в контролируемую среду металлического проводника, изменяющего электрофизические свойства при поглощении водорода. В среду дополнительно вводят металлический проводник, инертный по отношению к водороду, образующий с первым термопару, и определяют ЭДС и температуру среды. О количестве водорода судят по отклонению величины ЭДС от тарировочной кривой, построенной при отсутствии водорода. 2 ил.

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способам определения водорода в газовой и жидкой среде, и может быть использовано, в частности, в химической промышленности при исследовании растворимости водорода и его восстановительной способности, а также в атомной энергетике при определении водорода в защитных газах и теплоносителях ЯЗУ. Цель изобретения повышение точности и оперативности определения водорода в среде (газах и жидкостях). Для этого по способу, включающему введение в контролируемую среду металлического проводника, изменяющего электрофизические свойства при поглощении водорода, дополнительно вводят металлический проводник, инертный по отношению к водороду и образующий с первым термопару, например палладий-золото (сплавы палладия-золота; 40,33% Pd и 59,63% Au), и определяют ЭДС пары, а о количестве водорода судят по отклонению величины ЭДС пары от тарировочной кривой, построенной при отсутствии водорода при температуре измерения ЭДС пары. Положительный эффект по предлагаемому способу достигается за счет упрощения конструктивной и измерительной схем реализации способа определения водорода: вместо измерения изменения электросопротивления металлического проводника в среде водорода регистрируется изменение величины ЭДС пары металлических проводников, один из которых изменяет свои электрофизические свойства в водороде, а другой не изменяет. Это приводит к тому, что исключает мост Уитстона, отпадает необходимость в поддержании расхода среды. Предлагаемый способ при его реализации позволяет контролировать водород непосредственно в контуре, что повышает точность и оперативный контроль. Рассматриваемый способ основан на известном физическом явлении изменения работы выхода электронов материала при поглощении водорода. При контакте двух разнородных металлов с работами выхода А₁ и А₂ происходит преимущественный переход электронов из металла с меньшей работой выхода (А₁) в металл с большей работой выхода (А₂). Металлы заряжаются разноименно и в состоянии термодинамического равновесия между ними имеется разность потенциалов Е, которая равна: E , где е заряд электрона. Следовательно, измеряя ЭДС пары и температуру в месте расположения горячего спая пары, можно из ранее полученной зависимости ЭДС пары от парциального давления водорода и температуры определить концентрацию водорода в среде. Величина изменения сигнала от концентрации водорода по предлагаемому способу выше, чем у прототипа. Так, при изменении содержания водорода от 0 до 1 ата при постоянной температуре, например 210^оС, по прототипу она составляет ≈ 10% а по предлагаемому способу ≈ 15% и с ростом температуры эта разность увеличивается. Следовательно, точность определения водорода предлагаемым способом выше. Таким образом, заявленное решение обладает существенными отличиями. Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана принципиальная схема реализации предлагаемого способа. Электрод 2 изменяет свои электрофизические свойства в водороде и выполняется, к примеру, из палладия или его сплавов. Электрод 3 не изменяет своих электрофизических свойств в водороде и выполняется, например, из золота или сплава золота с платиной с содержанием платины 40,33% Эти электроды между собой соединены в спай 1, который находится в контролируемой среде. Холодные спаи 4 электродов 2 и 3 находятся при одной и той же температуре, например 0^оС (в сосуде Дьюара, наполненном водой со льдом). ЭДС пары электродов 2 и 3 измеряется цифровым вольтметром 5. Для экспериментальной проверки предлагаемого способа была изготовлена пара палладий 2 платина 3. Горячий спай 1 поместили в сосуд, холодные спаи 4 электродов 2 и 3 находились на воздухе при 25^оС ЭДС пары измеряли цифровым вольтметром Ф-30. Температуру измеряли ХА термопарой в стеклянном изоляторе в месте расположения горячего спая 1 пары. Результаты экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа представлены на фиг.2. Видно, что разность показаний пары в аргоне и водороде при температуре 200, 210, 220^оС соответственно равны 8,4% 15,7% 21,4% что указывает на высокую чувствительность к водороду. На фиг.2 прямая 1 соответствует содержанию водорода Р_Н2 1 ата, прямая 2 Р_Н2 0. Установлена зависимость ЭДС от температуры в среде анализируемого газа для пары (Pd Ag) Pt: E -2,1 + 0,027 x t для чистого аргона; Е -3,1 + 0,029 х t для смеси 25% Н₂ в Ar в интервале температур 180-400^оС. В настоящее время проводятся работы по конструктивной реализации и определению температурных и концентрационных границ применимости предлагаемого способа контроля водорода в газовых и жидких средах. Диаметр электродных проводников оказывает влияние на инерционность датчиков, реализованных по предлагаемому способу определения водорода. Пленочные электродные проводники позволяют изготовить малоинерционные датчики. Исследования датчиков, приготовленных по предлагаемому способу из электродных проводников (Pd Ag) и Pt диаметром 0,1 мм, в интервале температур 170-600^оС и концентрации водорода до 50 мас. в инертном газе (аргон или гелий) показали, что имеют место воспроизводимые и однозначные результаты. При температуре ниже 170^оС наблюдались невоспроизводимые результаты, что связано с наличием фазового перехода в системе Pd-Ag-H.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА В ГАЗОВОЙ И ЖИДКОЙ СРЕДЕ, включающий введение в контролируемую среду металлического проводника, изменяющего электрофизические свойства при поглощении водорода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и оперативности контроля, в среду дополнительно вводят металлический проводник, инертный по отношению к водороду и образующий с первым металлическим проводником термопару, при температуре выше температуры фазового перехода в системе "первый металлический проводник водород" измеряют ЭДС термопары, а о количестве водорода судят по отклонению величины ЭДС пары от тарировочной кривой, построенной при отсутствии водорода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2