Способ измерения кислородосодержания и влажности газа



Способ измерения кислородосодержания и влажности газа
Способ измерения кислородосодержания и влажности газа

 


Владельцы патента RU 2540450:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

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.

 

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения кислородосодержания и влажности газов.

Из источника http://www.vlagomera.net/articl/articl2 известны следующие способы измерения влажности воздуха. Так, описан гигрометрический способ, основанный на изменении длины гигроскопических нитей (волос, или синтетических нитей). Использование приборов, основанных на гигрометрическом способе измерения, ограничено, т.к. точность таких измерений составляет около ±5% относительной влажности.

Известный психрометрический способ основан на физическом эффекте охлаждения при процессах испарения. Одним термометром считывают температуру окружающего воздуха, а другим - температуру влажного термометра. Термометр, считывающий температуру окружающего воздуха, увлажнен хлопковой тканью и обдувается воздухом со скоростью от 2 до 3 м/с. Испарение охлаждает термометр, и при наступлении состояния равновесия влажность подсчитывают по показаниям сухого и влажного термометра. Точность измерения в 1% относительной влажности достигается при использовании точных термометров, а также при условии аккуратного обслуживания оборудования.

Известный способ «зеркала точки росы» заключается в том, что используют поверхность с металлическим напылением, которую охлаждают до температуры, при которой из воздуха начинает выпадать роса. Температура, измеренная в этой точке, соответствует температуре точки росы. Ориентируясь на температуру окружающего воздуха, рассчитывают влажность. При таком способе измерения может быть достигнута точность 1% относительной влажности.

Известно измерение влажности с помощью емкостных датчиков. Способ основан на использовании влагочувствительных элементов, которые представляют собой тонкие стеклянные или керамические подложки с нанесенной на них электродной системой влагочувствительного полимерного слоя и слоя золота, проницаемого для паров воды. Полимерный гигроскопический слой впитывает молекулы воды, которые изменяют относительную диэлектрическую проницаемость системы. Емкостные датчики представляют собой влагозависимый конденсатор. Притом что емкость такого конденсатора является мерой относительной влажности окружающего его воздуха.

Известные способы измерения влажности воздуха, такие как психрометрический и способ «зеркала точки росы» являются достаточно точными, но дорогими и сложными в исполнении. Емкостные датчики влажности относительно просты и дешевы, но требуют периодической калибровки, что усложняет процесс измерения влажности воздуха.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения влажности газовых смесей с помощью твердоэлектролитного амперометрического датчика (RU 2483300, публ. 27.05.2013 г.). Способ заключается в том, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположена пара электродов, к электродам дисков подают напряжение постоянного тока, посредством которого осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и откачку полученного в результате электролиза связанного кислорода из внутренней полости ячейки в поток анализируемого газа по электрохимической цепи: внутренние электроды-твердые электролиты-наружные электроды, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток обедненного по влаге газа из полости ячейки станет равным потоку анализируемого газа, поступающего в нее, измеряют протекающий через ячейку предельный ток, соответствующий количеству связанного кислорода, полученного в результате электролиза паров воды, находящихся в анализируемом газе, и по величине этого тока определяют влажность анализируемого газа.

Известный способ не предусматривает определение кислородосодержания в анализируемом газе. Между тем это имеет значение для многих научных, технологических и экологических процессов. Нужно отметить и то, что этот способ основан на применении датчика, твердоэлектролитные диски которого выполнены из разных материалов: один из протонпроводящего электролита, а второй из кислородпроводящего электролита. Эти материалы имеют разные коэффициенты линейного расширения, что усложняет герметизацию внутреннего объема датчика и может привести к растрескиванию герметика и выходу датчика из строя.

В отличие от известного способа в поток анализируемого газа помещают ячейку с полостью, образованную двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, 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.

Сущность заявленного способа заключается в следующем. Под действием напряжения в 500-700 мВ, поданного к электродам дисков из кислородпроводящего твердого электролита, откачивают кислород из внутренней полости ячейки в наружную атмосферу. Разряжение внутри полости ячейки, возникающее за счет откачки из нее кислорода, побуждает поступление в полость через капилляр анализируемого газа. Предельный ток, идущий через электрохимическую ячейку, будет соответствовать кислородосодержанию анализируемого газа. При дальнейшем увеличении напряжения постоянного тока, подаваемого на ячейку в пределах 1300-1500 мВ, весь свободный кислород из внутренней полости ячейки оказывается откачанным и начинается процесс электролиза влаги и откачка кислорода, образующегося в результате разложения паров воды. При этом амперметр показывает вторую величину предельного тока, которая соответствует сумме свободного кислорода и связанного кислорода, образовавшегося при электролизе влаги в анализируемой среде. В результате, измерение влажности анализируемого газа осуществляют путем последовательного измерения количества свободного кислорода и суммарного количества свободного и связанного кислорода, которое образовалось в результате электролиза находящейся в анализируемом газе влаги. По величинам предельных токов, соответствующих содержанию свободного и суммы свободного и связанного кислорода, определяют последовательно кислородосодержание и влажность анализируемого газа. Таким образом, заявленный способ расширяет арсенал средств для измерения влажности анализируемого газа и позволяет дополнительно определять кислородосодержание в нем. Применение в заявленном способе датчика, твердоэлектролитные диски которого выполнены из одного и того же материала электролита, повышает надежность эксплуатации способа.

На фиг.1 представлено устройство для реализации заявленного способа. Устройство состоит из двух дисков 1 из кислородпроводящего твердого электролита, соединенных между собой газоплотным герметиком 2 с образованием внутренней полости 3. В качестве кислородпроводящего твердого электролита использована двуокись циркония, стабилизированная оксидом иттрия. Могут быть использованы другие оксидные композиции, обеспечивающие число переноса за счет ионов кислорода, равное или близкое 1. На противоположных поверхностях дисков 1 расположены два электрода: наружный 4 и внутренний 5. Между дисками находится диффузионное сопротивление, выполненное в виде капилляра 6. Подача напряжения на электроды 4-5 осуществляется от источника постоянного тока (U). Измерение тока между электродами 4 и 5 осуществляется амперметром (A). Ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность и по капилляру поступает в ее внутреннюю полость 3. Под действием напряжения 500-700 мВ, приложенного от источника (U) к электродам 4 и 5 через твердый кислородпроводящий электролит, происходит откачка из полости 3 в окружающую ячейку газовую среду свободного кислорода, а затем при увеличении напряжения до значений в пределах 1300-1500 мВ кроме свободного кислорода идет откачка полученного в результате электролиза влаги в соответствии с уравнением (1):

и связанного кислорода. В стационарном режиме при напряжении 500-700 мВ из полости 3 постоянно откачивается свободный кислород, а при напряжении 1300-1500 мВ постоянно откачивается как свободный, так и связанный кислород, полученный в результате электролиза влаги. Вследствие возникающего разряжения из-за откачки кислорода посредством капилляра 6 в полость 3 постоянно поступает воздух из анализируемой среды. Соответствующая процессу откачки свободного кислорода величина предельного тока ( I п р 1 . ) на амперметре (A) будет характеризовать кислородосодержание анализируемого газа, а величина предельного тока ( I п р 2 . ) - соответственно суммарное содержание свободного и связанного кислорода ( I п р 2 . ) в анализируемом газе. Влажность анализируемого газа будет определяться величиной:

Описанный способ иллюстрируется фиг.2, на которой представлена вольт-амперная зависимость датчика при анализе сухого воздуха и воздуха, насыщенного влагой при 100°C, где I п р 1 . - предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию сухого воздуха (газа); I п р 2 . - предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию воздуха (газа), насыщенного влагой при 100°C; I п р 3 . - предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию воздуха (газа) и его влажности.

Способ измерения кислородосодержания и влажности газа, заключающийся в том, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположена пара электродов, к электродам дисков подают напряжение постоянного тока, посредством которого осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и откачку полученного в результате электролиза связанного кислорода из внутренней полости ячейки в поток анализируемого газа по электрохимической цепи: внутренние электроды - твердые электролиты - наружные электроды, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток обедненного по влаге газа из полости ячейки станет равным потоку анализируемого газа, поступающего в нее, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и определяют влажность анализируемого газа, отличающийся тем , что в поток анализируемого газа помещают ячейку с полостью, образованную двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, 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.



 

Похожие патенты:

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.

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).

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.

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. .

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