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 $$({С}_{H_2}^{вх})$$ , поступившей во входную часть полости 3 канала 2. В исходной газовой смеси концентрацию кислорода $$({С}_{O_2}^{вх})$$ 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:

$${С}_{O_2}^{вх}={С}_{O_2}^{вых}+{К}_{ст}({С}_{H_2}^{вх}-{С}_{H_2}^{вых})(1)$$

где $${С}_{O_2}^{вых}$$ - концентрация кислорода, фиксируемая сенсором кислорода 8;

$${С}_{H_2}^{вх}$$ - концентрация водорода, фиксируемая входным сенсором водорода 6;

$${С}_{H_2}^{вых}$$ - концентрация водорода, фиксируемая выходным сенсором водорода 7;

К_ст - стехиометрический коэффициент $$({К}_{ст}\approx \frac{1}{2})$$ .

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:

$$E=\frac{R\cdot T}{n\cdot F}\ln (\frac{Р{\text{'}}_{O_2}}{Р{"}_{O_2}}),$$

где: n=4 - количество электронов, участвующих в электродной реакции; Т - температура, К; R - универсальная газовая постоянная; F - число Фарадея; $${Р}_{{}_{O{}_2}}^{\text{'}}$$ - 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

$$E=E_0-\frac{R\cdot T}{n\cdot F}\cdot \ln (\frac{{Р}_{H_{2}O}}{{Р}_{H_2}})$$ ,

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:

$${С}_{H_2}^{вх}=16об.\%,$$ $${С}_{O_2}^{вых}=16об.\%,$$ $${С}_{H_2}^{вых}=0.$$

Определяем $${С}_{O_2}^{вх}$$ по формуле (1).

$${С}_{O_2}^{вх}=16+\frac{1}{2}6=19об.\%$$

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

$${С}_{H_2}^{вх}=16об.\%,$$ $${С}_{O_2}^{вых}=16об.\%,$$ $${С}_{H_2}^{вых}=0.$$

Определяем $${С}_{O_2}^{вх}$$ по формуле (1).

$${С}_{O_2}^{вх}=6+\frac{1}{2}16=14об.\%.$$

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.