способ определения состава газа

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГАЗА, заключающийся в том, что в одну из камер твердоэлектролитной ячейки (ТЭЯ) подают анализируемый компонент газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения и расширения определяемого диапазона, предварительно обеспечивают равенство концентраций анализируемого компонента в обеих герметичных камерах, подают анализируемый компонент в обе камеры с одинаковой скоростью, при этом подачу осуществляют накачкой с помощью ТЭЯ, а время накачки в первую t₁ и вторую t₂ камеры выбирают с учетом соотношения t₂ = a t₁, где a > 1, определяют количество V поданного анализируемого компонента в камеру в течение времени t₁ и концентрацию C анализируемого газа в исследуемом газе соответственно по формулам



где i - ток накачки;

- молярная масса анализируемого компонента;

nF - количество электричества, необходимое для переноса 1 моль анализируемого компонента;

V₂ - объем камеры;

R - газовая постоянная;

T - температура ТЭЯ;

U - напряжение, возникающее на электродах ТЭЯ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газовом анализе неорганических веществ, например, при определении кислорода, водорода, галоидов.

Способ определения состава газа заключается в том, что в одну из камер твердоэлектролитной ячейки (ТЭЯ) подают анализируемый компонент газа, при этом с целью повышения точности определения и расширения определяемого диапазона, предварительно обеспечивают равенство концентраций анализируемого компонента в обеих герметичных камерах, подают анализируемый компонент в обе камеры с одинаковой скоростью, при этом подачу осуществляют накачкой с помощью ТЭЯ, а время накачки в первую t₁ и вторую t₂ камеры выбирают с учетом соотношения t₂ = at₁, где a > 1, определяют количество V поданного анализируемого компонента в камеру в течение времени t1 и концентрацию Cu анализируемого компонента в исследуемом газе соответственно по формулам

V = и

Cu = V - 1, где i - ток накачки; - молярный вес анализируемого компонента; nF - количество электричества, необходимое для переноса 1 моля анализируемого компонента; V₂ - объем камеры; R - газовая постоянная; Т - температура ТЭЯ; U - напряжение, возникающее на электродах ТЭЯ.

Это позволяет производить измерения проще, так как не требует газа-носителя для сравнительной среди, и при этом существенно расширяется измеряемый диапазон.

Изобретение относится к аналитическому контролю, в частности к аналитическому приборостроению, наиболее эффективно может быть использовано в газовом анализе неорганических веществ, например, при определении кислорода, водорода, галоидов и др.

На чертеже показана схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит три твердоэлектролитных диска 1,2,3, разделенных двумя твердоэлектролитными кольцами 4 и 5. Диски 1,2,3 и кольца 4 и 5 соединены между собой посредством высокотемпературного клея 6, являющегося изолятором. Диски 1, 2 и кольцо 4 образуют первую опорную газовую область (рабочую) 7. Диск 2, кольцо 5 и диск 3 образуют вторую (сравнительную) опорную газовую область 8. На диске 1 нанесены электрод 9 и токоотвод 10. Причем токоотвод 10 контактирует с опорным газовым пространством 7, а электрод 9 - с измеряемой средой. Аналогично на диске 3 выполнены электрод 11 и токоотвод 12. Диск 1 с электродом 9 и токоотводом 10 и диск 3 с электродом 11 и токоотводом 12 образуют кулонометрические электрохимически активные зоны. На диске 2 выполнены измерительные электроды 13 и 14, контактирующие с опорными газовыми областями 7 и 8. Диcк 2 с электродами 13 и 14 образуют потенциометрическую электрохимически активную зону. Диск 1, кольцо 4, диск 2, кольцо 5 и диск 3 соединены между собой посредством клея 6, помещены в трубку 15 и зафиксированы в ней с обеих сторон выступами 16. Для задания рабочей температуры датчика поверх трубки 15 бифилярно намотан кабельный нагреватель 17. Бифилярность намотки исключает электромаг- нитный эффект, присутствующий при односторонней намотке нагревателя. К электродам 13 и 14 подключен вольтметр 18. Напряжение, определяемое вольтметром 18, является функцией парциального давления анализируемого компонента, которое в опорных газовых областях 7 и 8 задается кулонометрическими электрохимически активными зонами, подключенными к источнику питания 19. Расход компонента контролируется амперметрами 20 и 21. Регулирование рабочей температуры производится термостабилизатором 22 за счет изменения тока нагревателя 17. Для измерения времени используется устройство 23. Коммутатор 24 позволяет переключать ячейки в соответствующие режимы измерения при настройке устройства. Диск 1, кольцо 4, диск 2, кольцо 5, диск 3, соединенные между собой клеем 6, образуют твердоэлектролитную ячейку с замкнутыми опорными газовыми пространствами 7 и 8.

Для измерения концентрации анализируемого компонента первоначально в изолированных камерах выравнивают концентрацию анализируемого компонента с концентрацией его в измеряемом газе. Для этого одну из кулонометрических ячеек переводят в потенциометрический режим и добиваются при помощи потенциометрической ячейки, работающей в этот момент в кулонометрическом режиме, напряжения, равного нулю, потом аналогично во второй камере, используя потенциометрическую ячейку, оставшейся кулонометрической ячейкой добиваются напряжения на потенциометрической ячейке, равного нулю. После этого одновременно в обе области начинают накачивать анализируемый компонент. По истечении установленного времени t₁ в первую камеру прекращают подачу анализируемого компонента, а во вторую продолжают накачку до установления заданной кратности времен а. При достижении кратности времен дозирования а измеряют напряжение на потенциометрической ячейке.

Напряжение U на потенциометрической ячейке связано с созданными концентрациями С и С₁ зависимостью

U = ln , (1) где С₁ = Сu + С₁, С = Сu + C (2); Сu - величина концентрации в измеряемой среде; С и С₁ - приращение концентраций, создаваемое первой и второй кулонометрическими ячейками; R - газовая постоянная; Т - рабочая температура; nF - количество электричества, необходимое для переноса 1 моля анализируемого компонента.

Для кулонометрической ячейки

С = i t₁/nF V₂, (3) где i - ток дозирования; t - время дозирования; V₂ - объем изолированной камеры; - молярный вес кислорода.

При равенстве объемов обоих изолированных камер и при равенстве токов обеих кулонометрических ячеек создаваемое приращение концентрации анализируемого компонента прямо пропорционально времени дозирования. Подставив (2) и (3) в (1) и решив уравнение, относительно получим

Cu = - 1 (4)

Учитывая, что зависимость = V, суть меньшая величина добавляемого компонента, окончательно будем иметь

Cu = V - 1. (5)

П р и м е р. Реализация способа для определения кислорода с помощью твердоэлектролитной ячейки.

В измеряемый газ (смесь азота с кислородом) помещают твердоэлектролитную ячейку и уравнивают концентрации внутри камер с концентрацией кислорода в измеряемом газе. Подают на электроды напряжение питания, не превышающее критичес- кого (2В), и начинают дозирование кислорода внутрь обеих камер одновременно. Добившись установившегося значения тока, через 10-20 секунд дозирование в первую область прекращают, продолжая дозирование во вторую до достижения величины кратности времен дозирования а. В нижнем своем пределе величина кратности должна быть такой, чтобы обеспечить напряжение на потенциометрической ячейке не менее 10-15 мВ. Величина напряжения обусловлена погрешностью от натекания кислорода вследствие проницаемости твердого электролита. При таких значениях она пренебрежимо мала. Верхний предел кратности обусловлен насыщением кислородом во второй камере (время, начиная с которого ток во второй кулонометрической ячейке начинает падать). Определение кислорода осуществляют в диапазоне 10^-5 - 10^-1 об.%. Ток дозирования в этом диапазоне составляет 0,015 А. Значение ЭДС на потенциометрической ячейке составляет 0,02 В. Другие значения величин, входящих в формулу (3) : n = 4; F = 96500 А сек/моль; V₂ = =0,25 см³; t = 10 сек; = 32 г/моль. Тогда

V = = 4,972810^-5г/см³.

Опpеделим концентpацию кислоpода в измеряемой среде из 5. Значение величин, входящих в (5) : а = 3; R = 8,31 Дж/моль К; Т = 1007 К.

Cu = 4,972810²⁵ - 1 = 1,5888110^-5г/см³

Преобразуем вычисленную концентрацию в об.%:

Cu об.% = 100% , (6) где Vм - объем одного моля кислорода при Т = 1007 К; Р = 1 г/см², Vм = 3800 см³. Тогда

Cu = 1,58881 10^-5 3800/32 100% = =0,18867 об.%.

Повышение точности измерения концентрации анализируемого компонента происходит за счет создания двух опорных газовых областей, объединенных с потенциометрической и кулонометрическими электрохимически активными зонами. Погреш- ность измерения концентрации анализируемого компонента по способу снижается до 1...1,5%.