Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах



Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах
Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах

 


Владельцы патента RU 2635711:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") (RU)

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газовом анализе. Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах содержит потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, газовый тракт, нагреватель, термопару и регулятор температуры, при этом для повышения точности в условиях изменения парциального давления кислорода в окружающей среде потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка имеет рабочий измерительный электрод из газопроницаемой пористой платины, контактирующий с анализируемым газом, герметичную сравнительную камеру с электродом сравнения из газопроницаемой пористой платины, нанесенной на противоположной стороне твердого электролита рабочего измерительного электрода в сравнительной камере для создания опорной среды с известным парциальным давлением кислорода. Для определения объемной доли кислорода используют аналитическую градуировочную характеристику, связывающую объемные доли кислорода в сравнительной и анализируемой камерах, а для определения парциального давления кислорода используют аналитическую градуировочную характеристику, связывающую общее давление в сравнительной и анализируемой средах. Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах в условиях изменения парциального давления кислорода в окружающей среде является устранение противодиффузии воздуха из атмосферы, что приводит к повышению точности измерения объемной доли и парциального давления кислорода в анализируемом газе. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газовом анализе, в частности, для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах.

Известен датчик газоанализатора кислорода (патент на полезную модель № 51228, класс МПК G01N 27/00, опубл. 27.01.2006), представляющий собой твердоэлектролитную потенциометрическую ячейку (ПТЭЯ), включенную в газовый тракт и размещенную в нагревателе. Сущность работы ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода на границе "металл - твердый электролит", в газовой фазе устанавливается равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Значение этого потенциала зависит от парциального давления кислорода в газовой фазе. Так как потенциал электрода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой - сравнительным.

Разность электродных потенциалов связана с парциальными давлениями кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде уравнением Нернста:

где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ПТЭЯ), В.

R - газовая постоянная Больцмана Дж/моль⋅K;

Т - температура, K;

4F - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода Кл/моль;

Р0 и Рх - парциальное давление кислорода соответственно в сравнительной среде и анализируемом газе, Па.

ПТЭЯ выполняется в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при температуре более 600°С кислородной проводимостью. Рабочей частью ПТЭЯ является донышко, на которое с обеих сторон нанесены пористые металлические электроды, рабочим электродом является внутренний электрод, электродом сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде металлических дорожек, выведенных на наружную поверхность ПТЭЯ. Мерой концентрации кислорода в ПТЭЯ служит разность электродных потенциалов, которая пропорциональна логарифму отношений парциальных давлений кислорода в сравнительной и анализируемой средах. Анализируемый газ свободно выходит в атмосферу, чем достигается равенство давлений анализируемого газа и сравнительной среды, в связи с чем отношения парциальных давлений в формуле (1) можно заменить отношением концентраций:

где С0 и Сх - объемные доли кислорода соответственно в сравнительной среде и анализируемом газе.

Таким образом, поддерживая с заданной точностью температуру Т, и, измерив значение Е, можно определить концентрацию кислорода в анализируемом газе Сх.

Расширение области применения твердоэлектролитных ячеек при изменении концентрации кислорода в сравнительной среде реализовано в авторском свидетельстве СССР № 486573, МПК G01N 27/52. Это достигается применением в потенциометрической твердоэлектролитной ячейке камеры для сравнительной среды, с одной стороны ограниченной дополнительной твердоэлектролитной ячейкой, к которой примыкает камера, соединенная трубопроводом с камерой для анализируемой среды, причем указанная камера соединена капилляром с камерой сравнения, а электроды дополнительной ячейки подключены к источнику тока.

В зависимости от требуемого диапазона измерений и точности измерения в одном случае в сравнительной камере поддерживается концентрация анализируемого компонента, близкая к 100%, а во втором случае - постоянная концентрация анализируемого компонента, но отличная от 100%.

Недостатком данного устройства обусловлено неравенство поддерживаемой концентрации анализируемого компонента в сравнительной камере, связанной с противодиффузией воздуха из атмосферы через капилляр и с перепадом давления на капилляре, что вносит погрешность в измерении объемной доли и парциального давления кислорода.

Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах в условиях изменения парциального давления кислорода в окружающей среде является устранение противодиффузии воздуха из атмосферы, что приводит к повышению точности измерения объемной доли и парциального давления кислорода в анализируемом газе.

Парциальное давление газа равно произведению его мольной доли (объемной концентрации) на общее давление, т.е.:

где Ccp и Сан - соответственно, объемные доли кислорода в сравнительной и анализируемой средах;

Pcp и Ран - соответственно, общее давление в сравнительной и анализируемой средах.

Из уравнений (1)…(4) следует:

Из уравнения (5) получаем аналитическую градуировочную характеристику заявляемого устройства для измерения объемной доли кислорода в анализируемой среде:

Аналогично, аналитическая градуировочная характеристика заявляемого устройства для измерения парциального давления кислорода в анализируемой среде имеет следующий вид:

Блок-схема устройства приведена на фигуре. Газ из анализируемой среды под давлением через штуцер "ВХОД ГАЗА" поступает в газовый тракт устройства и по трубке 1 поступает в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку 2 (ПТЭЯ), детали которой изготовлены из твердоэлектролитной керамики состава 0,85ZrO2+0,15Y2O3 и герметично соединены высокотемпературным клеем, имеющим температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР твердоэлектролитной керамики. Эти детали образуют камеру с рабочим измерительным электродом 4 и герметичную сравнительную камеру из двух конусов с электродом сравнения 5. Электроды выполнены из газопроницаемой пористой платины, а токоотводы из платиновой проволоки выведены для измерения ЭДС.

Устройство также содержит нагреватель 3, температура в котором измеряется термопарой 6, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется регулятором температуры 7.

Анализируемый газ омывает рабочий измерительный электрод ПТЭЯ и сбрасывается в дренаж через штуцер "ВЫХОД ГАЗА". С помощью нагревателя нагревают ПТЭЯ до постоянной температуры в пределах от 600 до 900°С. В качестве рабочей температуры выбрана температура (657±2)°С (930 K), которая измеряется с помощью термопары. После установления рабочей температуры производится электрохимическое извлечение кислорода из сравнительной камеры ПТЭЯ, для чего к электродам ячейки от внешнего источника тока прикладывается напряжение не более 0,6 В (плюс к рабочему измерительному электроду). Извлечение кислорода прекращается, когда ток достигает значения меньше 0,1% начального тока.

После электрохимического извлечения кислорода в сравнительную камеру для создания известного парциального давления дозируется кислород путем пропускания определенного количества электричества. Дозирование кислорода проводится при постоянном значении тока, равном 0,5 мА, в течение времени, необходимом для получения в сравнительной камере ПТЭЯ заданного парциального давления кислорода. При следующем включении требуется выполнение процедуры электрохимического извлечения кислорода из сравнительной камеры и последующего дозирования кислорода для создания заданного сравнительного парциального давления.

Для подтверждения применяемости данного устройства проведены испытания экспериментального образца, результаты которых приведены в таблице. Измерения проводились при разных парциальных давлениях окружающей среды и, соответственно, при разных парциальных давлениях кислорода в окружающей среде на поверочных газовых смесях (ПГС) азот-кислород. Входное давление анализируемого газа - 100 кПа.

Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, газовый тракт, нагреватель, термопару и регулятор температуры, отличающееся тем, что с целью повышения точности в условиях изменения парциального давления кислорода в окружающей среде потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка имеет рабочий измерительный электрод из газопроницаемой пористой платины, контактирующий с анализируемым газом, герметичную сравнительную камеру с электродом сравнения из газопроницаемой пористой платины, нанесенной на противоположной стороне твердого электролита рабочего измерительного электрода в сравнительной камере для создания опорной среды с известным парциальным давлением кислорода.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к устройству управления для двигателя внутреннего сгорания. Датчик для определения концентрации кислорода в отработавших газах или в воздушно-топливной смеси, снабженный элементом из твердого электролита, боковым электродом отработавших газов, расположенным на одной стороне элемента из твердого электролита и находящимся в контакте с отработавшими газами, атмосферным боковым электродом, расположенным на другой стороне элемента из твердого электролита и находящимся в контакте с атмосферным воздухом, и электрической цепью, подающей опорное напряжение между этими электродами, расположен в выпускной трубе двигателя.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам концентрационного типа на основе твердых электролитов с изолированным эталонным электродом, содержащим смесь металл - оксид металла.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в датчиках для измерения содержания кислорода или водорода в энергетических установках. Способ изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) датчика кислорода или водорода включает изготовление пробки из твердого электролита и трубки из электроизоляционной керамики с последующим их диффузионным соединением.

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов, а именно к системам, определяющим содержание 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 области аналитического приборостроения 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 области газового анализа, а именно к газоизмерительному датчику, содержащему корпус с отверстиями и размещенные в нем твердоэлектролитный чувствительный элемент, контактные элементы, соединительные проводники и нагреватель, чувствительный элемент выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен нагреватель, и полностью покрывает его поверхность, нагреватель одной стороной соединен с корпусом, а другой стороной связан с первым соединительным проводником, прикрепленным к поверхности нагревателя, при этом в качестве первого контактного элемента используют нагреватель, а второй контактный элемент закреплен на внешней поверхности чувствительного элемента и связан со вторым соединительным проводником.

Изобретение относится к области газового анализа, а именно к устройству для измерения парциального давления кислорода, содержащему твердый электролит и электроды, соединенные с выводами для снятия сигнала, твердым электролитом является пленка оксида материала, из которого изготовлен первый электрод, выполненный в виде металлической матрицы и размещенный внутри пленки оксида, первый вывод для снятия сигнала подсоединен к металлической матрице в области раздела металл - оксид, при этом второй электрод расположен на поверхности пленки оксида и выполнен в виде проницаемого для кислорода электропроводящего слоя.

Изобретение относится к области измерения содержания кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автомобиля. .
Наверх