устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси
Классы МПК: | G01N27/27 соединение двух или более измерительных систем или ячеек, измеряющих различные параметры, причем результат измерения может быть использован независимо; системы или ячейки, физически объединенные между собой или комбинируемые для получения значения следующего параметра |
Автор(ы): | Семчевский А.К. (RU), Мурзин Г.М. (RU), Пирог В.П. (RU), Воропаев В.И. (RU), Золотарева Л.В. (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Ангарское опытно- конструкторское бюро автоматики" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-03-26 публикация патента:
20.08.2004 |
Устройство относится к области аналитического приборостроения. Сущность: устройство содержит последовательно соединенные по газовому тракту первую электролитическую ячейку, которая снабжена источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку, обладающую кислородоионной проводимостью при температуре более 600
С, которая снабжена источником постоянного напряжения, двумя токоизмерительными приборами и двумя электрическими вентилями, и вторую электролитическую ячейку, которая снабжена источником постоянного напряжения и измерителем тока. При известном расходе газовой смеси о концентрации воды судят по току, прошедшему через первую электролитическую ячейку, а о концентрации кислорода и водорода судят по токам, прошедшим через твердоэлектролитную и электролитические ячейки. Технический результат изобретения - повышение точности измерения, надежности и упрощение конструкции. 1 ил.
Рисунок 1
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234504/176.gif)
Формула изобретения
Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, содержащее первую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку с источником постоянного напряжения, измерителем тока и двумя электрическими вентилями, соединенные последовательно газовым трактом, отличающееся тем, что, с целью непрерывного одновременного измерения концентрации воды, кислорода и водорода, повышения точности измерения и надежности, упрощения конструкции устройства, оно содержит вторую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенную по газовому тракту после твердоэлектролитной ячейки, причем о концентрации воды судят по току, протекающему через первую электролитическую ячейку, о концентрации водорода судят по разности токов второй и первой электролитических ячеек, о концентрации кислорода при превышении его концентрации над стехиометрической концентрацией водорода судят по сумме токов второй электролитической ячейки и твердоэлектролитной ячейки минус ток первой электролитической ячейки, а при превышении концентрации водорода над стехиометрической концентрацией кислорода о концентрации кислорода судят по разности токов второй и первой электролитических ячеек минус ток твердоэлектролитной ячейки.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности для измерения концентрации воды, кислорода и водорода при их совместном присутствии в газовых смесях.Изобретение может быть использовано в технологических процессах, связанных с получением инертных газов, для контроля защитной атмосферы по воде, кислороду и водороду при термообработке металлов, при сварочных работах и в научно-исследовательских работах, связанных с обнаружением воды, кислорода и водорода в чистых газах.Известно устройство для определения кислорода или водорода, содержащихся в газовой смеси, состоящее из электролитического дозатора кислорода либо водорода, осушителя, реактора с катализатором и электролитической ячейки для электролиза воды (патент ФРГ №1200575, кл. 42 14/16, 1963).По известному устройству анализируемый газ поступает в дозатор, где в поток газа добавляется кислород или водород. Далее поток газа проходит через осушитель и поступает в реактор, где происходит взаимодействие определяемого компонента с добавленным. Образовавшаяся в результате реакции вода подвергается электролизу в электролитической ячейке. Ток электролиза позволяет судить о концентрации кислорода или водорода в анализируемом газе.Основными недостатками устройства является периодичность анализа, невозможность определения обоих компонентов при их совместном присутствии и вследствие этого невысокая точность, т.к. в подавляющем большинстве кислород и водород в газах присутствуют совместно.Известно также устройство для определения кислорода и водорода в пробе (патент США №3006836, кл.204-195, 1958), которое содержит дегидратор, хроматографическую колонку, дозатор, реактор и электролитическую ячейку для определения воды.По известному устройству анализируемый газ смешивается с газом-носителем, очищается от паров воды с помощью дегидратора и далее поступает в хроматографическую колонку, где происходит разделение кислорода и водорода. После хроматографической колонки в газовую смесь дозируется либо кислород (при определении водорода), либо водород (при определении кислорода). Вода, полученная в результате реакции кислорода и водорода в реакторе, подвергается электролизу в электролитической ячейке. По току электролиза воды судят о концентрации определяемого компонента.Основными недостатками описанного устройства являются невозможность непрерывного анализа, сложность аппаратурного оформления и необходимость использования для обслуживания квалифицированного персонала. Кроме того, невысокая точность, особенно при измерении микроконцентрации, т.к. анализируемый газ и газ-носитель содержат примеси кислорода и водорода.Наиболее близкими к заявленному устройству является устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси (авторское свидетельство СССР №705320, кл. G 01 №27/46, 1979).Устройство предназначено для измерения концентрации кислорода и водорода в газовой смеси и содержит дегидратор, реактор, электролитическую ячейку для разложения воды с источником напряжения, твердоэлектролитную ячейку с источником напряжения, измерители тока и два вентиля.По известному устройству анализируемый газ с постоянным расходом поступает в дегидратор, где происходит осушка газа. Из дегидратора газ поступает в реактор, где происходит взаимодействие кислорода и водорода. После реактора газ поступает в электролитическую ячейку, в которой происходит электролиз воды, образовавшейся в реакторе. Ток электролиза воды при известном расходе газа пропорционален концентрациям кислорода и водорода, прореагировавшим в реакторе. После электролитической ячейки газ поступает в твердоэлектролитную ячейку, в которой происходит взаимодействие кислорода и водорода, образовавшихся в результате электролиза воды в электролитической ячейке, и в газе остается либо кислород, либо водород, т.е. тот компонент, который был в избытке в анализируемом газе. Если этим компонентом является кислород, то твердоэлектролитная ячейка под действием приложенного напряжения откачивает его в окружающий воздух. Если этим компонентом является водород, то твердоэлектролитная ячейка дозирует кислород из окружающего воздуха в поток газа (режим титрования).Благодаря мостовой схеме с двумя вентилями и измерителями тока происходит сложение и выделение токов электролитической ячейки и твердоэлектролитной ячейки, по которым судят о концентрации кислорода и водорода.Основными недостатками данного устройства является невысокая точность, сложность конструкции и низкая надежность.Невысокая точность вызвана тем, что на выходе дегидратора даже при самом эффективном сорбенте присутствует влага, которая разлагается в электролитической ячейке, что вносит погрешность в измерение концентрации кислорода и водорода.Кроме того, в процессе эксплуатации устройства происходит отработка сорбента дегидратора, т.е. увеличивается "проскок" влаги на выходе дегидратора, а это приводит к еще большему возрастанию погрешности измерения концентрации кислорода и водорода. По этой же причине уменьшается и надежность устройства.Следует отметить, что сложность конструкции устройства увеличивает инерционность измерения, т.к. это обусловлено процессами сорбции влаги на внутренних поверхностях газового тракта.Целью изобретения является повышение точности измерения, надежности и упрощение конструкции устройства.Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее первую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, твердоэлектролитную ячейку с источником постоянного напряжения, измерителем тока и двумя электрическими вентилями содержит также вторую электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенную по газовому тракту после твердоэлектролитной ячейки.На чертеже показана функциональная схема устройства.Устройство содержит последовательно соединенные газовым трактом первую электролитическую ячейку 1 для электролиза воды, содержащейся в анализируемом газе, твердоэлектролитную ячейку 2 для откачки кислорода из анализируемого газа в окружающий воздух или дозирования кислорода из окружающего воздуха в поток анализируемого газа, причем ее внутренний электрод 3 дополнительно используется в качестве реактора для химического взаимодействия кислорода и водорода, и вторую электролитическую ячейку 4 для электролиза воды, образовавшейся в реакторе.Электролитические ячейки имеют одинаковую конструкцию, которая представляет собой цилиндрический стержень из платинового стекла, во внутреннем канале которого расположены электроды 5, 6 из платиновой и родиевой проволоки в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора, являющаяся высокоэффективным сорбентом.Твердоэлектролитная ячейка конструктивно представляет собой трубку (или пробирку) из твердого электролита на основе диоксида циркония, например, состава (0,85ZrO2+0,15CaO), обладающего кислородоионной проводимостью при температуре более +400![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234504/176.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-2t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-3t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-4t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234504/176.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-5t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-6t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-7t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-8t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-9t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-10t.gif)
![устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси, патент № 2234696](/images/patents/234/2234696/2234696-11t.gif)
Класс G01N27/27 соединение двух или более измерительных систем или ячеек, измеряющих различные параметры, причем результат измерения может быть использован независимо; системы или ячейки, физически объединенные между собой или комбинируемые для получения значения следующего параметра