устройство для измерения концентрации кислорода в газах

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации кислорода в газах, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, конструктивно выполненную из двух камер, разделенных твердым электролитом в виде мембраны с нанесенными на ее поверхность электродами из платины, и измеритель ЭДС, подключенный к платиновым электродам, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения оно содержит кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку и источник инертного газа с известной концентрацией кислорода, причем анализируемый газ пропускают через одну камеру потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, а инертный газ после кулонометрической твердоэлектролитной ячейки пропускают через другую камеру, при этом концентрацию кислорода в анализируемом газе определяют по концентрации кислорода в инертном газе и концентрации кислорода, создаваемой током переноса кислорода через кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку, с учетом прошедшего через нее расхода инертного газа, при условии, что ЭДС на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки равна нулю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в аналитическом приборостроении при разработке газоанализатора кислорода в газах в широком диапазоне измерений от 1·10 ^-6 до 100 об.% с очень высокой степенью точности.

Широко известны устройства для измерения концентрации кислорода в газах, основанные на электромагнитных, электрохимических и термохимических методах измерения (Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. М.: Издательство стандартов, 1980). Созданные на базе этих устройств газоанализаторы кислорода обладают рядом ограничений и недостатков. В частности, газоанализаторы не предназначены для измерения микро- и малых концентраций, требуется периодическая калибровка на поверочных газовых смесях (ПГС), имеют невысокий класс точности и сложное аппаратурное оформление.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство (аналог), описанное в способе определения состава газа с помощью потенциометрической (гальванической) твердоэлектролитной ячейки (Патент США №3347767, Кл. G 01 №27/46, 1978). Потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ) представляет собой трубку из твердого электролита состава 0,85ZrO₂+0,15Y ₂O₃, обладающую кислородоионной проводимостью при температуре более 600°С. На внутреннюю и внешнюю поверхность трубки один против другого нанесены методом вжигания электроды из мелкодисперсной платины. Трубка помещена в электропечь, обеспечивающую разогрев электролита до температуры, достаточной для достижения кислородоионной проводимости. При пропускании анализируемого газа, концентрацию кислорода в котором нужно определить,относительно, например, внутреннего электрода, а сравнительного газа с известной концентрацией кислорода относительно внешнего электрода, на электродах ПТЭЯ возникает ЭДС, величина которой определяется уравнением Нернста:

где Е - ЭДС на электродах ПТЭЯ, В;

R=8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж·град ^-1·моль^-1;

Т - температура электродов ПТЭЯ, К;

n=4 - число зарядов в ионизированной молекуле кислорода;

F=96500 - число Фарадея, Кл·моль ^-1;

С₀, С_x - соответственно концентрация кислорода в сравнительном газе и анализируемом газе, %.

Устройство позволяет достаточно эффективно вести измерения концентрации кислорода в газах, однако обладает весьма существенными недостатками, приводящими к снижению точности измерения. К числу таких недостатков следует отнести наличие схемы измерения температуры электродов, так как абсолютная величина температуры входит в расчетную формулу, а также применение устройства для выравнивания температуры по всей длине электродов. Кроме того, устройство, осуществляющее способ измерения концентрации кислорода, не всегда удобно в реализации, так как расчетная градуировочная характеристика является логарифмической.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации кислорода в газах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения концентрации кислорода в газах содержит потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку (КТЭЯ) и источник инертного газа с известной концентрацией кислорода. Анализируемый газ, в котором необходимо измерять концентрацию кислорода, пропускают относительно одного электрода ПТЭЯ, а инертный газ после прохождения через КТЭЯ пропускают относительно другого электрода ПТЭЯ. Концентрацию кислорода в анализируемом газе определяют по концентрации кислорода в инертном газе и концентрации кислорода, создаваемой током переноса кислорода через КТЭЯ, с учетом прошедшего через нее расхода инертного газа, при условии, что ЭДС на электродах ПТЭЯ равна нулю.

На приведенном чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит потенциометрическую 3 и кулонометрическую 9 твердоэлектролитные ячейки из керамики состава 0,85ZrO₂+0,15Y₂ J₃. ПТЭЯ конструктивно выполнена в виде двух камер, разделенных твердым электролитом в виде мембраны 6, на которую нанесены платиновые электроды 4, 5. Для измерения ЭДС к электродам подключен вольтметр постоянного тока 14. КТЭЯ представляет собой трубку, на внешней и внутренней поверхности которой нанесены платиновые электроды 8, 10, к которым последовательно подключены токоизмерительный прибор 11 и регулируемый источник постоянного напряжения 13. Наружный электрод контактирует с атмосферным воздухом. Ячейки помещены в электропечи 2, 7 для обеспечения кислородоионной проводимости электролита. Источник инертного газа 12, например, баллон с азотом особой чистоты, для которого нормируется концентрация кислорода порядка 1·10 ^-3%, подключен к входу КТЭЯ, а ее выход соединен газовым трактом, например, трубкой из нержавеющей стали с камерой ПТЭЯ, в которой расположен электрод 5. Выход данной камеры соединен с измерителем расхода газа 1.

Устройство работает следующим образом. Анализируемый газ с заданным расходом порядка 100÷150 см³/мин проходит через камеру ПТЭЯ, в которой расположен электрод 4. Инертный газ с заданным расходом порядка 50÷100 см³/мин проходит через КТЭЯ и поступает в камеру ПТЭЯ, в которой расположен электрод 5, и далее поступает в измеритель расхода газа. При прохождении инертного газа через КТЭЯ под действием приложенного напряжения к ее электродам осуществляется перенос кислорода по вакансиям кристаллической решетки электролита из атмосферного воздуха в поток инертного газа или из потока инертного газа в атмосферный воздух. Направление переноса кислорода через КТЭЯ зависит от значения ЭДС ПТЭЯ. Если концентрация кислорода в анализируемом газе меньше концентрации кислорода в инертном газе, то под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ будет осуществляться перенос кислорода из инертного газа в атмосферный воздух до тех пор, пока величина ЭДС ПТЭЯ не станет равной нулю. Если концентрация кислорода в анализируемом газе больше концентрации кислорода в инертном газе, то под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ будет осуществляться перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток инертного газа, пока величина ЭДС ПТЭЯ не станет равной нулю. Направление переноса кислорода через КТЭЯ определяется полярностью напряжения, прикладываемого к электродам. Так, если к внешнему электроду КТЭЯ подсоединить положительный полюс источника напряжения, то будет осуществляться перенос кислорода из инертного газа в атмосферный воздух и при изменении полярности будет осуществляться перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток инертного газа. Согласно уравнению (1) значение ЭДС ПТЭЯ будет равно нулю при условии, что С _x=С₀.

При соблюдении этого условия концентрация кислорода в анализируемом газе будет определяться по формулам:

где С - концентрация кислорода в инертном газе, %;

К=9,69·10^-4 - коэффициент, обусловленный выбором единиц физических величин,

I₁ - ток переноса кислорода из инертного газа в атмосферный воздух, мкА;

I ₂ - ток переноса кислорода из атмосферного воздуха в поток

инертного газа, мкА;

Т - температура окружающего воздуха, К;

Q - расход рабочего газа через КТЭЯ, см ³/мин;

P - атмосферное давление, мм рт.ст.

Повышение точности измерения концентрации кислорода в газах предлагаемым устройством по сравнению с аналогом достигается за счет исключения влияния погрешности в определении температуры электродов. Из формулы (1) следует, что независимо от значения температуры, величина ЭДС будет равна нулю только при условии равенства концентрации кислорода в газах, контактирующих с электродами ячейки. Кроме того, начиная с некоторой области измерения концентрации кислорода ослабевает влияние на точность измерения значение погрешности аттестации кислорода в инертном газе. Так, например, если требуется определить концентрацию кислорода в газах в диапазоне от 1 до 100%, то погрешность за счет применения инертного газа даже с содержанием кислорода 1·10^-3% составит от 0,1 до 0,001% относительных.

Анализ существующего парка газоанализаторов кислорода, разработанных на базе прототипа, показывает, что основная относительная погрешность у таких газоанализаторов составляет от 10 до 4% в диапазоне концентраций от 1·10 ^-6 до 100%.

Погрешность измерения концентрации кислорода предлагаемым устройством определяется погрешностью измерения ЭДС, тока, расхода инертного газа и концентрации кислорода в инертном газе. Существующие для этих целей средства измерений соответственно имеют погрешность 0,2; 0,2; 0,5; 2%. С учетом этих погрешностей предлагаемое устройство уверено обеспечивает измерение концентрации кислорода в диапазоне от 1·10 ^-6 до 1% с относительной погрешностью ±3% и в диапазоне от 1 до 100% с относительной погрешностью ±1%.