газоанализатор
Классы МПК: | G01N27/406 ячейки и зонды с твердым электролитом |
Автор(ы): | Федотов Б.А., Лисиенко В.Г., Лоншаков Н.П., Воинов Ю.Ф., Попов Б.А. |
Патентообладатель(и): | Т/О Научно-производственное предприятие "Эрг" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-06-02 публикация патента:
27.09.1999 |
Использование: промышленная теплоэнергетика, в частности устройства для анализа газов в топках котельных агрегатов и промышленных печей. Сущность изобретения: газоанализатор содержит твердоэлектролитную ячейку с платиновыми электродами, корпус, нагреватель, узлы подвода, анализируемого и эталонного газов и компенсационную термопару, электрически встречно подключенную к ячейке. В качестве одного из термоэлектродов использован внутренний электрод твердоэлектролитной ячейки, а второй термоэлектрод механически поджат к первому и выполнен из материала, обеспечивающего погрешность измерения в пределах указанного допуска. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Газоанализатор, включающий твердоэлектролитную ячейку с платиновыми электродами, корпус, нагреватель, узлы подвода анализируемого и эталонного газов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит компенсационную термопару, электрически встречно подключенную к ячейке, причем в качестве одного из термоэлектродов использован внутренний электрод твердоэлектролитной ячейки, второй термоэлектрод механически поджат к первому и выполнен из материала, обеспечивающего погрешность измерения в пределах допуска![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-13t.gif)
где Тб - базовая температура ячейки, К;
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
b - парциальное давление эталонного газа;
a = R / 4F;
R - газовая постоянная;
F - константа Фарадея;
бт и бк - погрешности в определении парциального давления газа соответственно за счет отклонения температурной характеристики компенсационной термопары от идеальной и допустимая по классу точности.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики, в частности, к топкам котельных агрегатов и промышленных печей. Известны устройства [1-3] для анализа газов, в которых применяются электрохимические твердоэлектролитные ячейки, а концентрацию газа (например, кислорода) в продуктах сгорания или иных средах определяют с использованием уравнения Нернста по величине ЭДС. Недостатком этих устройств является необходимость стабилизации температуры ячейки, что обеспечивается применением дополнительной системы автоматического контроля и регулирования температуры. Это значительно усложняет и удорожает газоанализатор и делает его показания зависимыми от характеристик системы стабилизации температур. Известен газоанализатор [4], который наиболее близок к предлагаемому техническому решению и выбран в качестве прототипа. При этом используется электрохимическая ячейка с твердым электролитом (например, на основе ZrO2) и измеряется ЭДС ячейки. Для определения концентрации искомого газа (например, кислорода) в смеси применяют уравнение Нернста![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-2t.gif)
где R- газовая постоянная;
T - температура, K;
F - константа Фарадея;
p" и p"" - парциальные давления газа (кислорода) в газовых емкостях. Из формулы (1) видно, что искомая концентрация газа или его парциальное давление p" при определенной измеренной ЭДС EЭ зависит от температуры T. В известном устройстве эту температурную зависимость нейтрализуют стабилизацией температуры ячейки путем применения в конструкции газоанализатора специальной системы автоматического контроля и регулирования температуры. Эта система включает обычные элементы CAP, датчик измерения температуры (термометр сопротивления, термопара), регулятор, исполнительный механизм, регулирующий орган. Поддержание определенной температуры обеспечивается изменением напряжения, подаваемого на нагреватель. Недостатком такой конструкции является сложность устройства и недостаточная точность и надежность измерения, особенно в динамическом режиме. Основные усилия при конструировании такого газоанализатора приходится направлять на расчет и подбор настроек регулятора температуры ячейки, выбор элементов схемы регулирования, обеспечение надежности работы регулятора. Осложняется и его эксплуатация, так как требуются профилактические осмотры и ремонты системы регулирования. В динамическом режиме, например, при изменяющейся температуре внешней среды или при изменении напряжения нагревателя при работе системы регулирования, как известно, возникают динамические отклонения и колебания, вносящие соответствующие отклонения и колебания в колебаниях газоанализатора. В этом случае, если газоанализатор в свою очередь, является датчиком системы регулирования процесса горения в эту систему вносятся возмущения, снижающие точность регулирования и приводящие к дополнительным динамическим ошибкам. Надежность работы газоанализатора в этом случае определяется надежностью работы не только самой электролитной ячейки, но и надежностью работы системы регулирования температуры, что резко снижает общую надежность газоанализатора. Наличие дополнительной системы контроля и регулирования температуры увеличивает вес, габариты и стоимость газоанализатора. Задачей изобретения является повышение точности измерения концентрации газа, увеличение надежности и снижение веса, габаритов и стоимости газоанализатора. Задача решается следующим образом. Из формулы (1) следует, что ЭДС при работе электрохимической ячейки линейно зависит от температуры. В случае изменения температуры от некоторой базовой Tб на величину
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-3t.gif)
Здесь a= R/4F, b=p"" - постоянные величины для данного газа. При постоянной величине эталонного парциального давления p""=b величина
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138512/697.gif)
Анализ формул (2) и (3) показывает, что при измерении концентрации искомого газа в определенном диапазоне компенсация температурной погрешности показаний газоанализатора может быть достигнута включением в схему электролитной ячейки дифференциально (встречно) компенсирующей термопары, развивающей в данном температурном диапазоне термоЭДС Eт, равную величине Eт = Eтб +
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
бт=
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
Фактически величина бт в соответствии с формулами (2)- (4) определяется подбором вида термопары и температурной зависимостью ее термоЭДС, а также диапазоном измерения концентрации газа. При этом температурная зависимость термоЭДС Eт = f(T) в заданном диапазоне изменения температуры и концентрации газа должна обеспечить снижение величины погрешности в определении парциального давления (концентрации) газа бт ниже погрешности, определяемой классом точности прибора бк, т.е. должно соблюдаться условие
бт
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138008/8773.gif)
Подбор компенсационной термопары может быть проведен, исходя из требуемой зависимости ее термоЭДС от температуры. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. ЭДС, получаемая в результате дифференциального включения компенсационной термопары в схему измерения, равна при базовой температуре Тб. E = Eэб - Eтб = Eэб - C, (6)
где C = Eт.б = const. В соответствии с формулой (2) парциальное давление анализируемого газа при базовой температуре Tб определяется по формуле
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-4t.gif)
При изменении базовой температуры на
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-5t.gif)
Чтобы при изменении температуры на
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-6t.gif)
Соотношения (6) и (9) приводят к определению требуемого (идеального) температурного коэффициента (коэффициента передачи) термоЭДС компенсационной термопары
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-7t.gif)
Так как величина Eэб определяется при определенной базовой температуре Tб, то в определенном диапазоне парциальных давлений газа величина
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-8t.gif)
Подбор компенсирующей термопары в системе измерений концентраций газа конструктивно удобно выполнить таким образом, чтобы один из электродов твердого электролита (платина) мог быть при этом использован в качестве одного из термоэлектродов компенсирующей термопары. На чертеже 1 представлено устройство, реализующее данное изобретение. Оно содержит чувствительный элемент на основе твердого электролита 4, например, из двуокиси циркония, внутреннего 8 и наружного 9 платиновых электродов, корпуса 5, например, из фарфоровой трубки, нехромового нагревателя 6, кожуха, трубок ввода 10 и вывода 11 анализируемого газа, трубки подачи эталонного газа 14, компенсирующего термоэлектрода 1, например, копелевого, платинового вывода 2, пружинного упора 13, потенциометра 3 и понижающего трансформатора 12 (например, с 220 до 36 В). Устройство работает следующим образом. При подаче внутрь корпуса 5 анализируемого газа с парциальным давлением через трубку 10 и внутрь чувствительного элемента 4 эталонного газа с парциальным давлением p через трубку 14 на платиновых электродах 9 и 8 возникает разность потенциалов Eэ в соответствии с уравнением
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-9t.gif)
При этом нагреватель 6, включающий также корпус 7 и понижающий трансформатор 12, обеспечивает работу чувствительного элемента при некоторой базовой температуре T, обеспечивающей достаточную чувствительность определения парциального давления (концентрации), например, при определении концентрации кислорода Tб= 700oC. Одновременно при температуре Tб на термопаре, включающей внутренний платиновый электрод 8 и компенсирующий термоэлектрод 1, развивается термоЭДС Eтб, направленная вследствие дифференциального включения термопары по отношению к электродам чувствительного элемента навстречу разности потенциалов Eэб. При этом потенциометром 3 будет измерена разность ЭДС E
E = Eэб - Eтб = Eэб - C
При постоянстве величины Tб обеспечивается постоянство величины Eтб = C и измерение ЭДС потенциометром E однозначно определяет величину p" по выражению
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-10t.gif)
В случае изменения базовой температуры Tб на величину
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138512/697.gif)
Одновременно величина термоЭДС термопары изменяется на величину
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-11t.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/2138799-12t.gif)
не изменяются (в рамках класса точности). Подбор температурной зависимости компенсирующей термопары обеспечивает погрешность измерения в пределах класса точности при задании верхнего предела изменения парциального давления газа и пределов изменения температуры чувствительного элемента. Подбор температурной характеристики и материала компенсирующей термопары поведем на примере газоанализатора на кислород. Требуемый класс точности K = 1,0. При подаче в качестве эталонного газа применен атмосферный воздух. В этом случае при базовой температуре электролитной ячейки Tб = 700oC 973 K и концентрации кислорода в продуктах сгорания O2 = 1-2% (коэффициент расхода воздуха
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/945.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138013/177.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138012/916.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138013/177.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138799/967.gif)
![газоанализатор, патент № 2138799](/images/patents/333/2138013/177.gif)
Класс G01N27/406 ячейки и зонды с твердым электролитом