Способ определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой смеси и газоанализатор

Изобретение относится к способам и устройствам для контроля параметров газовых сред, в частности к контролю газовых смесей, содержащих кислород и водород, и может быть использовано в различных отраслях техники. Способ определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой смеси включает введение газовой смеси в контакт с нагретым входным сенсором водорода, установленным во входной части полости канала газоанализатора, и регистрацию концентрации водорода в исходной газовой смеси с помощью регистрирующего прибора. Затем исходную газовую смесь пропускают через нагретый каталитически активный элемент и осуществляют в нем полную рекомбинацию по меньшей мере одного из реагентов: кислорода и/или водорода. Прошедшую каталитически активный слой конечную газовую смесь вводят в контакт с установленными в выходной части полости канала нагретыми выходным сенсором водорода и сенсором кислорода и регистрируют соответственно концентрации водорода и кислорода в конечной газовой смеси. Истинную концентрации кислорода в исходной газовой смеси определяют по соотношению с использованием измеренных концентраций водорода в исходной смеси и концентраций водорода и кислорода в конечной газовой смеси. Технический результат изобретения состоит в том, что обеспечивается возможность непрерывного контроля кислорода в газовой смеси в объеме помещения с достаточно высокой степенью точности и в автоматическом режиме. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к методам и 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.

Известен хроматографический метод определения составляющих газовой среды /Большая иллюстрированная энциклопедия, наука и техника, М., Астрель, ACT, 2002, с.73/, заключающийся в разделении, идентификации и измерении содержания газов.

Недостатком хроматографического метода является то, что он трудоемок, дорогостоящ и трудно поддается автоматизации. Данный недостаток связан с необходимостью подготовки проб.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ анализа газовой смеси, в котором нагретый твердотельный газочувствительный элемент вводят в контакт с анализируемой газовой смесью и определяют изменение электрической характеристики, например ЭДС газочувствительного элемента /патент на изобретение РФ №2102735, МПК G 01 N 27/12, 1998/.

Недостаток способа состоит в том, что твердотельный датчик неплохо измеряет содержание водорода в присутствии кислорода, но с очень большой погрешностью определяют кислород в присутствии водорода, поскольку известно, что наличие водорода создает помеху для измерения кислорода.

Для исключения указанного недостатка в способе определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой смеси, включающем введение газовой смеси в контакт с нагретыми газовыми сенсорами и измерение концентрации компонент газовой смеси соответствующими регистрирующими приборами, предлагается:

- исходную газовую смесь вводить в контакт с нагретым входным сенсором водорода, установленным во входной части полости канала газоанализатора, и регистрировать концентрацию водорода в исходной газовой смеси с помощью подключенного к нему регистрирующего прибора;

- исходную газовую смесь пропустить через нагретый каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала, и осуществлять в нем полную рекомбинацию по меньшей мере одного из реагентов;

- прошедшую каталитически активный элемент конечную газовую смесь ввести в контакт с установленными в выходной части полости канала нагретыми выходным сенсором водорода и сенсором кислорода и регистрировать концентрации водорода и кислорода в конечной газовой смеси с помощью подключенных к ним регистрирующих приборов;

- истинную концентрацию кислорода в исходной газовой смеси определять из соотношения с учетом концентраций водорода в исходной газовой смеси и концентраций водорода и кислорода в конечной газовой смеси.

Предложенная в способе последовательность действий позволяет практически непрерывно осуществлять контроль кислорода в газовой смеси в объеме помещения с достаточно высокой степенью точности и в автоматическом режиме.

Известен хроматографический газоанализатор, основными частями которого являются система для ввода исследуемой смеси веществ (пробы), хроматографическая колонка, детектирующее устройство (детектор), системы регистрации и термостатирования /БСЭ, М., Советская энциклопедия, т.28, 1978, с.392/.

Недостатком известного устройства является его высокая стоимость и низкая производительность. Кроме того, устройство работает в периодическом режиме и его практически невозможно использовать в необслуживаемых или редко обслуживаемых помещениях, таких как реакторный зал АЭС.

Наиболее близким к заявляемому газоанализатору является устройство /патент на изобретение РФ №2102735, МПК G 01 N 27/12, 1998/, содержащее твердотельный газовый сенсор, подсоединенный к регистрирующему прибору.

Недостатком прототипа является то, что его затруднительно использовать для анализа газовых смесей, содержащих как водород, так и кислород.

В целом все известные анализаторы кислорода не могут функционировать в аварийных условиях АЭС, которые характеризуются наличием высоких температур (до 240°С, кратковременно - до 700°С), высокого давления (до 7 атм), водорода (до 21 об.%); паров воды (до 100 об.%), невозможностью отбора пробы газа с доставкой в нормальные условия анализа газа, невозможностью принудительной прокачки анализируемого или эталонного газа через чувствительный элемент газоанализатора, вибрации и радиоактивности.

Для устранения указанных недостатков газоанализатор, содержащий газовые сенсоры, подключенные к регистрирующим приборам, предлагается:

- дополнительно снабдить каналом и каталитически активным элементом, установленным в поперечном сечении средней части полости канала;

- в качестве газовых сенсоров использовать входной сенсор водорода, установленный во входной части полости канала, выходной сенсор водорода и сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала;

- входной и выходной сенсоры водорода, сенсор кислорода и каталитически активный элемент подключить по меньшей мере к одному источнику питания.

Предложенная конструкция газоанализатора характеризуется надежностью, дешевизной и представляет собой автономно работающий прибор.

Таким образом, достигаются указанные ранее технические результаты.

На чертеже представлен один из вариантов функциональной схемы заявляемого газоанализатора, где 1 - газоанализатор; 2 - канал; 3 - входная часть полости канала; 4 - выходная часть полости канала; 5 - каталитически активный элемент; 6 - входной сенсор водорода; 7 - выходной сенсор водорода; 8 - сенсор кислорода; 9 - регистрирующий прибор; 10 - компьютер; 11 - системная шина компьютера; 12 - электрическая связь; 13 - помещение с анализируемым газом; 14 - служебное помещение; 15 - источник питания.

Газоанализатор содержит газовые сенсоры, подключенные к регистрирующему прибору 9, канал 2 и каталитически активный элемент 5, установленный в поперечном сечении средней части канала 2.

В качестве газовых сенсоров используют входной сенсор водорода 6, установленный во входной части 4 полости канала 2, выходной сенсор водорода 7 и сенсор кислорода 8, расположенные в выходной части 4 полости канала 2.

Причем входной 6 и выходной 7 сенсоры водорода, сенсор кислорода 8 и каталитически активный элемент 5 подключены по меньшей мере к одному источнику питания.

Принцип работы газоанализатора рассмотрен на примере осуществления способа определения концентрации кислорода в исходной газовой смеси.

При осуществлении способа газовую смесь вводят в контакт с нагретыми газовыми сенсорами и измеряют концентрацию компонент газовой смеси регистрирующими приборами 9.

Исходную газовую смесь вводят в контакт с нагретым входным сенсором водорода 6, установленным во входной части полости 3 канала 2 газоанализатора. Регистрируют концентрацию водорода в исходной газовой смеси с помощью подключенного к нему регистрирующего прибора 9.

Затем исходную газовую смесь пропускают через нагретый током от источника питания 15 каталитически активный элемент 5, установленный в поперечном сечении средней части полости канала, и осуществляют в нем полную рекомбинацию по меньшей мере одного из реагентов: кислорода и/или водорода.

Прошедшую каталитически активный элемент 5 конечную газовую смесь вводят в контакт с установленными в выходной части полости 4 канала 2 выходным сенсором водорода 7 и сенсором кислорода 8 и регистрируют концентрации водорода и кислорода в конечной газовой смеси с помощью подключенных к сенсорам регистрирующих приборов 9.

Истинную концентрацию кислорода в исходной газовой смеси определяют по соотношению

где - истинная концентрация кислорода в исходной газовой смеси, об.%; k - эмпирический коэффициент, определяемый предварительно по контролю концентрации кислорода в воздухе при отсутствии водорода; - концентрация водорода в исходной газовой смеси, об.%; - концентрация водорода в конечной газовой смеси, об.%; - концентрация кислорода в конечной газовой смеси, об.%.

При осуществлении способа газоанализатор размещают в помещении 13 с исходной газовой смесью, содержащей по меньшей мере кислород и водород. Регистрирующие приборы 9 и источники питания размещают в служебном помещении 14. Входной сенсор водорода 6 фиксирует «истинную» концентрацию (парциальное давление) водорода в измеряемом объеме в исходной газовой смеси , поступившей во входную часть полости 3 канала 2. В исходной газовой смеси концентрацию кислорода не определяют, так как этому измерению сильную помеху создает наличие водорода. Поэтому исходная газовая смесь, поступившая в канал 2, движется вверх. При этом на поверхности катализаторных тел, составляющих каталитически активный элемент 5, выполненных, например, из платины, протекает каталитическая реакция окисления водорода до паров воды с коэффициентом рекомбинации, равным единице. В результате рекомбинации состав исходной газовой смеси изменяется, и в зависимости от соотношения водорода и кислорода в исходной смеси, на выходном участке каталитически активного элемента 5 газовая смесь будет соответствовать одному из трех вариантов.

Вариант а) смесь азота, кислорода и паров воды. Этот вариант реализуется, если в исходной смеси водорода содержится меньше, чем кислорода, т.е.

Вариант б) смесь азота, водорода и паров воды. Этот вариант реализуется, если в исходной смеси водорода содержится меньше, чем кислорода, т.е.

Вариант с) смесь азота и паров воды. Этот вариант реализуется, если в исходной смеси соотношение водорода и кислорода соответствует стехиометрическому, т.е.

Во время каталитической реакции газовая смесь нагревается, что создает конвективный поток газа в газоанализаторе 1 и позволяет создать условия для непрерывного контроля газовой смеси. Необходимо отметить, что конвективный поток через газоанализатор 1 есть всегда за счет разогрева входного 6 и выходного сенсоров водорода и сенсора кислорода 8 или за счет работы специального нагревателя (на схеме не показан), даже если каталитическая реакция отсутствует, т.е. если Показания выходного сенсора водорода 7 и сенсора кислорода 8 будут соответствовать составу газовой смеси по вариантам а), б) и с).

Следует отметить, очень важный момент, что всегда (при правильном измерении) показания, по крайней мере, выходного сенсора водорода 7 или сенсора кислорода 8 практически соответствуют «нулевому» значению.

При варианте «а» «нулевое» значение концентрации водорода регистрирует выходной сенсор водорода 7.

При варианте «б» «нулевое» значение концентрации кислорода регистрирует сенсор кислорода 8.

При варианте «с» «нулевое» значения концентрации водорода и кислорода регистрируют соответственно выходной сенсор водорода 7 и сенсор кислорода 8.

Таким образом, регистрация «нулевых» значений является дополнительным тестированием правильности всего способа определения концентрации и правильности работы газоанализатора 1.

Данные измерений от входного 6 и выходного 7 сенсоров водорода и сенсора кислорода 8 по электрическим связям 12 поступают на регистрирующий прибор 9, функцию которого может выполнять компьютер 10 с системной шиной 11.

В качестве входного 6 и выходного 7 сенсоров водорода может быть использовано устройство с платиносодержащим чувствительным элементом. При этом значение концентрации водорода или соответственно определяют индивидуальной калибровкой в соответствии с выражением

где Е - ЭДС водородного сенсора.

В качестве входного 6 и выходного 7 сенсора кислорода может быть использована гальваническая концентрационная ячейка с проводящим только ионы кислорода твердым электролитом.

Истинное значение концентрации кислорода в исходной газовой смеси определяют из соотношения (2)

где - истинное значение концентрации кислорода в исходной смеси, об.%; k - эмпирический коэффициент; - концентрация кислорода в конечной газовой смеси, об.%; - концентрация водорода в исходной газовой смеси, об.%, - концентрация водорода в конечной газовой смеси, об.%.

Соотношение (2), которое легко программируется. Следовательно, после обработки поступивших от сенсоров данных компьютер 10 может представить итоги вычислений наглядно на мониторе.

Эмпирический коэффициент k определяют предварительно (до аварийной ситуации) по контролю концентрации кислорода в воздухе при отсутствии водорода,

т.е. в водороде и .

В начальный период эксплуатации k≈1 и соответствует теоретической расчетной величине ЭДС гальванической концентрационной ячейки с твердым электролитом при регистрации концентрации кислорода в воздухе в нормальных условиях. В процессе эксплуатации допускаются незначительные изменения k в пределах k=1÷1,1 за счет ресурсных изменений электрофизических характеристик чувствительного элемента датчика, что вполне допустимо и учитывается при измерениях предварительным экспериментальным определением k по эталону - воздуху при нормальных условиях.

Примеры реализации способа.

Пример 1. Предварительный анализ воздуха при отсутствии аварии.

.

По формуле (2)

Прибор зарегистрировал тогда

В целом на момент анализа при

Пример 2. Моделирование аварийного режима. Была создана газовая смесь, содержащая 4 об.% водорода, при этом показания сенсоров были следующими:

.

Определяем по формуле (2), используя k=1,05 из примера 1.

Пример 3. Моделирование аварийного режима. Показания входного и выходного сенсоров водорода и сенсора кислорода составили соответственно

Определяем по формуле (2), используя k=1,05 из примера 1.

Пример 4. Моделирование аварийного режима. Показания сенсоров составили .

Определяем по формуле (2), используя k=1,05 из примера 1.

1. Способ определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой смеси, включающий введение газовой смеси в контакт с нагретыми газовыми сенсорами и измерение концентрации компонент газовой смеси соответствующими регистрирующими приборами, отличающийся тем, что исходную газовую смесь вводят в контакт с нагретым входным сенсором водорода, установленным во входной части полости канала газоанализатора, и регистрируют концентрацию водорода в исходной газовой смеси с помощью подключенного к нему регистрирующего прибора, затем исходную газовую смесь пропускают через нагретый каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала, и осуществляют в нем полную рекомбинацию по меньшей мере одного из реагентов: кислорода и/или водорода, прошедшую каталитически активный слой конечную газовую смесь вводят в контакт с установленными в выходной части полости канала нагретыми выходным сенсором водорода и сенсором кислорода и регистрируют концентрации водорода и кислорода в конечной газовой смеси с помощью подключенных к сенсорам регистрирующих приборов, а истинную концентрацию кислорода в исходной газовой смеси определяют по соотношению

где - истинная концентрация кислорода в исходной газовой смеси, об.%; k - эмпирический коэффициент, определяемый предварительно по контролю концентрации кислорода в воздухе при отсутствии водорода; - концентрация кислорода в конечной газовой смеси, об.%; - концентрация водорода в исходной газовой смеси, об.%; - концентрация водорода в конечной газовой смеси, об.%.

2. Газоанализатор, содержащий газовые сенсоры, подключенные к регистрирующим приборам, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно снабжен каналом и каталитически активным элементом, установленным в поперечном сечении средней части полости канала, в качестве газовых сенсоров используют входной сенсор водорода, установленный во входной части полости канала, выходной сенсор водорода и сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала, причем входной и выходной сенсоры водорода, сенсор кислорода и каталитически активный элемент подключены по меньшей мере к одному источнику питания.