устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси

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 +400С. На внутреннюю и внешнюю поверхности трубки нанесены методом вжигания, соответственно, внутренний 3 и наружный 7 электроды из мелкодисперсной платины. Наружный электрод твердоэлектролитной ячейки контактирует с окружающим воздухом.

К электродам первой и второй электролитических ячеек, соответственно, последовательно подключены источники постоянного напряжения 8, 9 и измерители тока 10, 11.

К электродам твердоэлектролитной ячейки последовательно подключен источник постоянного напряжения 12 и две параллельные электрические цепи: одна цепь состоит из измерителя тока 13, электрического вентиля 14 и предназначена для измерения тока откачки кислорода из газа в окружающий воздух в случае превышения в газе концентрации кислорода над стехиометрической концентрацией водорода, другая цепь состоит из измерителя тока 15, электрического вентиля 16 и предназначена для измерения тока дозирования кислорода из окружающего воздуха в поток газа в случае превышения в газе концентрации водорода над стехиометрической концентрацией кислорода.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый газ с заданным расходом поступает в первую электролитическую ячейку. Вода, содержащаяся в анализируемом газе, полностью извлекается сорбентом электролитической ячейки и подвергается электролизу под действием приложенного к ее электродам напряжения. По току электролиза I₁, измеренному измерителем тока 10, при известном расходе газа, концентрация воды в анализируемом газе определяется по соотношению

где - концентрация воды в анализируемом газе;

- электрохимический эквивалент воды;

Q - расход анализируемого газа;

I₁ - ток электролиза воды первой электролитической ячейки.

Из первой электролитической ячейки газ поступает в твердоэлектролитную ячейку, рабочая часть которой, ограниченная электродами, находится при температуре выше +700С для обеспечения кислородоионной проводимости твердого электролита. Поступающий в твердоэлектролитную ячейку газ содержит кислород и водород, образованные в результате электролиза воды в первой электролитической ячейке, а также кислород и водород, содержащиеся в анализируемом газе.

В твердоэлектролитной ячейке будет образовываться вода за счет кислорода и водорода, выделенных первой электролитической ячейкой, а также за счет кислорода и водорода, содержащихся в анализируемом газе, причем один из этих компонентов, который был в недостатке, полностью перейдет в воду.

Если этим компонентом будет водород, то образовавшийся избыток кислорода в газе под действием приложенного напряжения к электродам твердоэлектролитной ячейки будет кулонометрически откачиваться из газа в окружающий воздух, при этом в электрической цепи будет протекать ток I₃, направление и величина которого определяются электрическим вентилем 14 и измерителем тока 13.

Если этим компонентом будет кислород, то в образовавшийся избыток водорода в газе будет кулонометрически дозироваться кислород из окружающего воздуха под действием напряжения, определяемого за счет разности напряжения источника постоянного напряжения 12 и напряжения, возникающего для данного случая на электродах твердоэлектролитной ячейки, при этом в электрической цепи будет протекать ток I₄, направление и величина которого определяется электрическим вентилем 16 и измерителем тока 15.

Газ с образовавшейся в твердоэлектролитной ячейке водой поступает во вторую электролитическую ячейку, в которой аналогичным образом, как и в первой электролитической ячейке, происходит электролиз воды. По току электролиза I₂, измеренному измерителем тока 11, при известном расходе газа, судят о концентрации кислорода и водорода, которые прореагировали в твердоэлектролитной ячейке.

Концентрацию водорода и кислорода в анализируемом газе определяют из соотношений

где и - концентрация водорода и кислорода в анализируемом газе;

и - электрохимический эквивалент водорода и кислорода;

I₁ - ток электролиза воды в первой электролитической ячейке;

I₂ - ток электролиза воды во второй электролитической ячейке;

I₃ - ток откачки кислорода твердоэлектролитной ячейки;

I₄ - ток дозирования кислорода твердоэлектролитной ячейки.