Система контроля кислорода и водорода в газовых средах

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.

 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и атомной промышленности для контроля параметров газовых сред, в частности для контроля газовых смесей, содержащих кислород и водород.

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.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для измерения содержания кислорода и водорода в газах / RU 42663 U1, G01N 27/12, 2004/. Данное устройство принято за прототип. Прототип содержит газовые сенсоры, подключенные к регистрирующим приборам, канал и каталитически активный элемент, установленный 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. Входной и выходной сенсоры водорода, сенсор кислорода и каталитически активный элемент подключены по меньшей мере к одному источнику питания.

Недостатком известного устройства является отсутствие защиты от попадания исходной (непрореагировавшей на каталитическом активном элементе) газовой смеси в выходную часть полости канала, вследствие чего определение истинных концентраций кислорода и водорода оказывается ошибочным.

Предложенное техническое решение позволяет создать систему контроля кислорода и водорода в газовых сред, лишенную указанных недостатков. Техническим результатом является повышение надежности работы и достоверности контроля газовых смесей содержащих кислород и водород.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата систему контроля кислорода и водорода в газовых средах, содержащую 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, предлагается:

- дополнительно снабдить выходным каталитически активным элементом, установленным в поперечном сечении выходной части полости канала за выходным сенсором водорода и сенсором кислорода;

- снабдить входной и выходной каталитически активные элементы автономными нагревателями для поддержания коэффициента рекомбинации водорода на каталитически активных элементах равным 1.

Дополнительно предлагается выполнить входной и выходной каталитически активные элементы из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием для увеличения каталитически активной площади.

На фиг.1 представлен один из вариантов заявляемой системы контроля кислорода и водорода в газовых сред, где 1 - измерительная часть системы; 2 - канал; 3 - входная часть полости канала; 4 - выходная часть полости канала; 5 - входной каталитически активный элемент; 6 - входной сенсор водорода; 7 - выходной сенсор водорода; 8 - сенсор кислорода; 9 - нагреватель входного каталитически активного элемента; 10 - выходной каталитически активный элемент; 11 - нагреватель выходного каталитически активного элемента; 12 - электрическая связь; 13 - система регистрации и управления; 14 - помещение с анализируемым газом; 15 - служебное помещение.

Измерительная часть системы 1 содержит газовые сенсоры, подключенные к системе регистрации и управления 13, канал 2, входной каталитически активный элемент 5, установленный в поперечном сечении канала 2 и выходной каталитически активный элемент 10, установленный в поперечном сечении выходной части 4 канала 2.

В качестве газовых сенсоров используют входной сенсор водорода 6, установленный во входной части 3 полости канала 2 до входного каталитически активного элемента 5, выходной сенсор водорода 7 и сенсор кислорода 8, расположенные в полости канала 2 между входным 5 и выходным 6 каталитически активными элементами. Причем каталитически активные элементы 5 и 6 снабжены автономными нагревателями 7 и 11, соответственно.

Сенсоры кислорода и водорода подключены к системе регистрации и управления 13 с помощью электрической связи 12.

Система работает следующим образом.

Газовую смесь вводят в контакт с нагретыми газовыми сенсорами и измеряют концентрацию компонент газовой смеси системой регистрации и управления 13.

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 подключенной к нему системы регистрации и управления 13.

Затем исходную газовую смесь пропускают через входной каталитически активный элемент 5, нагретый индивидуальным нагревателем 9, и осуществляют в нем полную рекомбинацию по меньшей мере одного из реагентов, например, кислорода и/или водорода.

Прошедшую входной каталитически активный элемент 5 газовую смесь вводят в контакт с установленными в выходной части полости 4 канала 2 нагретыми выходным сенсором водорода 7 и сенсором кислорода 8 и регистрируют концентрации водорода и кислорода в газовой смеси с помощью подключенной к сенсорам системе регистрации и управления 13. После регистрации концентраций водорода и кислорода выходным сенсором водорода 7 и сенсором кислорода 8 газовая смесь покидает полость канала 2 через выходной каталитически активный элемент 10, нагретым при помощи индивидуального нагревателя 11.

Измерительную часть системы 1 размещают в помещении 14 с исходной газовой смесью, содержащей по меньшей мере кислород и водород. Систему регистрации и управления 13 и источники питания размещают в служебном помещении 15. Входной сенсор водорода 6 фиксирует «истинную» концентрацию (парциальное давление) водорода в измеряемом объеме в исходной газовой смеси ( С H 2 в х ) , поступившей во входную часть полости 3 канала 2. В исходной газовой смеси концентрацию кислорода ( С O 2 в х ) 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 входного каталитически активного элемента 5, выполненного, например, из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием, протекает каталитическая реакция окисления водорода до паров воды с коэффициентом рекомбинации равным единице. Для предотвращения концентрационного проникновения кислорода и водорода из помещения 14 в полость канала 2 через выходную полость канала 4 в ней устанавливается выходной каталитически активный элемент 10, который производит каталитическое дожигания кислорода и водорода и обеспечивает, таким образом, корректную работу сенсора кислорода 8.

Истинную концентрацию кислорода в исходной газовой смеси определяют по соотношению:

С O 2 в х = С O 2 в ы х + К с т ( С H 2 в х - С H 2 в ы х ) ( 1 )

где С O 2 в ы х - концентрация кислорода, фиксируемая сенсором кислорода 8;

С H 2 в х - концентрация водорода, фиксируемая входным сенсором водорода 6;

С H 2 в ы х - концентрация водорода, фиксируемая выходным сенсором водорода 7;

Кст - стехиометрический коэффициент ( К с т 1 2 ) .

Пример конкретного выполнения системы

Канал 2 выполнен из стали 12Х18Н10Т.

В качестве сенсора кислорода 8 используется гальваническая концентрационная ячейка (ГКЯ) с проводящим только ионы кислорода твердым электролитом выполненным из частично стабилизированного диоксида циркония. Величина ЭДС ГКЯ сенсора кислорода (Е) определяется уравнением:

E = R T n F ln ( Р ' O 2 Р " O 2 ) ,

где: n=4 - количество электронов, участвующих в электродной реакции; Т - температура, К; R - универсальная газовая постоянная; F - число Фарадея; Р O 2 ' - парциальное давление кислорода в исследуемой среде; Р O 2 " - парциальное давление кислорода на электроде сравнения.

В качестве входного 6 и выходного 7 сенсоров водорода используются сенсоры кислорода из твердого оксидного электролита на основе частично стабилизированного диоксида циркония, дооснащенные камерой с постоянным давлением паров воды, выполненной из никеля НП0 и водородопроницаемой мембраной выполненной из никеля НМг0.08в. При этом значение концентрации водорода С H 2 определяют в соответствии с индивидуальной калибровкой зависимости С H 2 = f ( E ) , где Е - ЭДС водородного сенсора, определяется выражением

E = E 0 R T n F ln ( Р H 2 O Р H 2 ) ,

где: Т - температура, К; R - универсальная газовая постоянная; F - число Фарадея; n - число электронов, участвующих в реакции; Р H 2 O - парциальное давление паров воды в паро-водородной камере; Р H 2 - парциальное давление водорода в исследуемой среде.

Примеры осуществления работы системы

1. На вход поступает газовая смесь, содержащая 6 об.% водорода, при этом показания сенсоров были следующими:

С H 2 в х = 16 о б . % , С O 2 в ы х = 16 о б . % , С H 2 в ы х = 0.

Определяем С O 2 в х по формуле (1).

С O 2 в х = 16 + 1 2 6 = 19 о б . %

2. На вход поступает газовая смесь, содержащая 16 об.% водорода, при этом показания сенсоров были следующими:

С H 2 в х = 16 о б . % , С O 2 в ы х = 16 о б . % , С H 2 в ы х = 0.

Определяем С O 2 в х по формуле (1).

С O 2 в х = 6 + 1 2 16 = 14 о б . % .

1. Система контроля кислорода и водорода в газовых средах, содержащая 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, отличающаяся тем, что 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.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной каталитически активные элементы выполнены из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве сенсора кислорода используется гальваническая концентрационная ячейка с проводящим только ионы кислорода твердым электролитом на основе частично стабилизированного диоксида циркония.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве в качестве входного и выходного сенсоров водорода используются сенсоры кислорода из твердого оксидного электролита на основе частично стабилизированного диоксида циркония, дооснащенные камерой с постоянным давлением паров воды и водородопроницаемой мембраной, выполненной из никеля.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что канал выполнен из стали 12Х18Н10Т.



 

Похожие патенты:

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

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 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 измерительной технике. .

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 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 области газового анализа и может быть применено в аналитическом приборостроении. .

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 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.

Электрохимическая ячейка относится к устройствам для определения концентраций серосодержащих газов в газовых смесях с применением твердотельных датчиков газа. Устройство предназначено для качественного и количественного определения серосодержащих газов (сероводорода и диоксида серы) в отходящих газах химических производств, теплоэлектростанций, для анализа светлых и темных нефтепродуктов и может быть использовано для определения предельно допустимых концентраций (ПДК) серосодержащих газов в химической, нефтехимической, медицинской и пищевой отраслей промышленности. Электрохимическая ячейка для анализа серосодержащих газов включает трубку из кварцевого стекла с расположенными внутри нее штуцерами для подачи и отвода газа, токоподводящими графитовым и нихромовыми проводниками, графитовым электродом, сульфидпроводящей мембраной, электродом сравнения, расположенным в графитовом проводнике и выполненным из сульфида висмута с добавкой порошкообразного металлического висмута, и рабочим электродом. При этом согласно изобретению в качестве сульфидпроводящей мембраны электрохимической ячейки используют твердый электролит (CaY2S4-х мол.% Yb2S3) при следующем соотношении, мол.%: тиоиттрат кальция (CaY2S4) - 84-100%, полуторный сульфид иттербия (Yb2S3) - остальное. Изобретение обеспечивает уменьшение нижнего порога определяемых концентраций сероводорода и диоксида серы, повышение чувствительности и понижение рабочей температуры чувствительного элемента. 3 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений. Датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода. Нижняя втулка, выполненная в виде трубки, соединенной с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Вверху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена ситаллом. Изобретение обеспечивает повышение ресурса и надежности работы датчика водорода в широком диапазоне параметров рабочей среды, посредством обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха. Способ измерения влажности воздуха заключается в том, что помещают в поток анализируемого воздуха электрохимическую ячейку с полостью, образованной диском из протонпроводящего электролита и диском из кислородопроводящего электролита, на противоположных поверхностях каждого из дисков расположено по паре электродов, и капилляром, соединяющим полость с потоком газа. К электродам диска из кислородопроводящего электролита прикладывают напряжение постоянного тока, и по величине ЭДС, установившейся на электродах диска из протонпроводящего электролита, рассчитывают влажность анализируемого воздуха, при этом напряжение постоянного тока прикладывают к электродам диска, выполненного из кислородопроводящего твердого электролита, с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, а величину напряжения выбирают из условия обеспечения в цепи постоянного тока величиной 10-15 мА. 4 ил.

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов и может быть использовано в энергетике, металлургии, нефте- и газодобывающей отраслях, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода и химического недожога в газовых средах. Предложен чувствительный элемент газоанализатора кислорода и химнедожога, включающий эталонный электрод и два измерительных электрода, выполненные из пористого материала, обладающего каталитической активностью. Предлагаемый чувствительный элемент состоит из двух твердоэлектролитных электрохимических ячеек, герметично закрепленных в общем термоизоляционном чехле при помощи металлической шайбы. Причем каждая электрохимическая ячейка содержит твердый электролит из диоксида циркония, герметично соединенный с электроизолятором из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели и выполненный в виде усеченного конуса, герметично установленного в конические отверстия металлических трубок из феррито-мартенситной стали. Каждая из электрохимической ячейки снабжена термопарой, совмещенной с потенциалосъемником, расположенными коаксиально внутри каждой электрохимической ячейки. При этом обе ячейки содержат эталонный и измерительный электрод, нанесенные на наружную и внутреннюю поверхности каждой электрохимической ячейки. Термопары с потенциалосъемниками имеют электрический контакт с соответствующими эталонными электродами, при этом в термоизоляционном чехле размещен первый электронагреватель, Изобретение обеспечивает повышение точности и представительности измерений, повышение быстродействия, увеличение межповерочного интервала и ресурса работы. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх