СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ Российский патент 2004 года по МПК G01F1/64 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности оно может быть использовано в устройствах для газового анализа, для технологического контроля на производствах, связанных с изготовлением и использованием газовых смесей

Известен способ измерения расхода газа, основанный на зависимости между скоростью газового потока и интенсивности теплоотдачи тела, нагретого электрическим током и помещенного в поток.

Указанный способ описан в ряде работ, например: "Заводская лаборатория", 1967 г. №3380-381.

Сущность теплового способа измерения скорости потока газа, описанного в приведенном выше источнике, заключается в следующем.

Если сопротивление, например, в виде спирали нагреть электрическим током и поместить его в поток газа, то температура этого сопротивления, а следовательно, его величина, будет определяться подводимой мощностью и скоростью теплоотвода за счет охлаждения потока газа.

Измеряя величину сопротивления, определяют скорость газового потока, на этом принципе основан измеритель расхода газа, получивший название термоанемометров.

Недостатком термоанемометров является их чувствительность не только к скорости потока газа, но также к температуре и давлению газа, коэффициенту теплопроводности и другим параметрам.

Кроме того, для исключения влияния температуры окружающей среды, с целью повышения точности измерения конструкция термоанемометрических датчиков должна термостатироваться.

Известны еще способы и созданные на их основе приборы для измерения расхода газа. К их числу относятся: метод переменного перепада, тахометрический метод, метод постоянного перепада (см. В.Г.Цейтлин "Расходо-измерительная техника" М., Стандартгиз, 1977).

Для переменного перепада и тахомометрического метода существенными недостатками являются:

- необходимость индивидуальной градуировки;

- большие дополнительные погрешности из-за влияния вязкости измеряемой среды и гидродинамических параметров потока;

- наличие изнашивающихся опор, что резко сокращает срок службы приборов и приводит к снижению их точности в процессе эксплуатации.

Наибольшее распространение из числа перечисленных выше методов получил метод постоянного перепада. Этот метод основан на силовом взаимодействии потока и помещенного в него тела.

На этом методе создан расходомер постоянного перепада давления -ротаметр с визуальным отсчетом. Конструктивно он состоит из прозрачной конической трубки и поплавка.

Принцип действия ротаметра состоит в следующем. Поток измеряемой среды воздействует на поплавок и вызывает его вертикальное перемещение. При этом в связи с конусностью трубки изменяется площадь проходного сечения таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остается практически постоянным. Верхний цилиндрический бортик поплавка имеет косые канавки, обеспечивающие его устойчивое вращение при течении измеряемой среды.

Статическая характеристика ротаметра, описывающая связь положения поплавка и измеряемого расхода, имеют вид:

где h - ход поплавка;

А - градуировочный коэффициент;

α - коэффициент расхода газа ротаметра;

q - ускорение свободного падения;

k - число измерений при аттестации.

Существенными недостатками измерения расхода ротаметром являются:

- низкая точность измерения;

- необходимость градуировки;

- плохая воспроизводимость.

Наиболее близким по физическому принципу и технической реализации предлагаемому способу является способ, основанный на применении твердых электролитных ячеек (а.с.СССР №488069, кл. G 01 f 1/00).

Известный способ состоит в следующем. В поток анализируемого газа, расход которого необходимо измерить, с помощью кулонометрической твердоэлектролитной ячейки (КТЭЯ) добавляют известное количество индикатора кислорода, концентрация в смеси которого зависит от расхода газа.

Далее поток анализируемого газа направляют в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку (ПТЭЯ), измеряют ЭДС этой ячейки, величина которой зависит от концентрации кислорода анализируемого газа.

Расход анализируемого газа рассчитывают по измеряемой концентрации кислорода.

Способ, принятый за прототип, имеет ряд существенных недостатков, что сильно сказывается на точности измерения расхода и ограничения области применения. Во-первых, известный способ пригоден для измерения расхода бескислородных газов и их смесей. Это связано с тем, что присутствие кислорода в анализируемом газе ведет к неконтролируемому завышению концентрации кислорода, т.к. ПТЭЯ измеряет суммарное содержание кислорода, которое содержится в анализируемом газе, и добавленное КТЭЯ.

Во-вторых, при реализации известного способа возникает погрешность в измерении расхода газа за счет добавления в поток анализируемого газа и кислорода с помощью КТЭЯ, т.е. изменяется действительное значение расхода.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения и повышения точности измерения расхода. Это достигается тем, что поток анализируемого газа предварительно направляют в ПТЭЯ, измеряют ЭДС этой ячейки, величина которой зависит от концентрации кислорода в анализируемом газе, далее анализируемый газ направляют в КТЭЯ, полностью удаляют кислород из анализируемого газа путем откачки под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ, а расход анализируемого газа определяют по величине ЭДС и току откачки кислорода.

На чертеже схематически изображено устройство, реализующее предложенный способ.

Устройство состоит из потенциометрической 5 и кулонометрической 8 твердоэлектролитных ячеек, выполненных, например, в виде пробирок из твердого электролита состава 0,85 ZnO₂ и 0,15 CaO.

На внутренней и внешней поверхности пробирок нанесены, например, методом выжигания металлические электроды 10, 11, 12, 13, например, из платины. Пробирки помещены в нагреватель 6 для разогрева рабочей части ячеек, ограниченной электродами, до температуры 650-900°С, обеспечивающее кислородно-ионную проводимость электролитов.

Торцы пробирок закреплены в установочных узлах 3 и загерметизированы от доступа кислорода из окружающего атмосферного воздуха к внутреннему электроду ячеек.

Установочные узлы соединены между собой газовым трактом 1, например, в виде трубки из нержавеющей стали.

Спираль нагревателя 6 и термопара 7, установленная у наружных электродов ячеек, подключены к регулятору температуры 9. С помощью регулятора температуры и термопары поддерживается заданная температура на электродах ПТЭЯ. Для измерения ЭДС ПТЭЯ к ее электродам подключен измеритель ЭДС 2, например высокооммный вольтметр.

К электродам КТЭЯ последовательно подключены источник постоянного напряжения 14 и измеритель тока 15, причем к наружному электроду должен быть подключен "+" источника, а к внутреннему электроду -"-". Только при указанной полярности подключения источника постоянного напряжения к электродам КТЭЯ осуществляется откачка кислорода из анализируемого газа.

Согласно предлагаемому способу поток анализируемого газа, расход которого необходимо измерить, направляют через газоподводящую трубку 4 к внутреннему электроду ПТЭЯ, который затем, проходя в зазоре между газоподводящей трубкой и внутренней стенкой пробирки, поступает в газовый тракт. Наружный электрод ПТЭЯ контактирует с окружающим атмосферным воздухом. За счет разности концентрации кислорода в анализируемом газе и окружающем атмосферном воздухе на электродах ПТЭЯ возникает ЭДС, величина которой определяется уравнением Нернста

где Е - ЭДС ячейки;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура электролита;

F - число Фарадея;

С - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе,

Сп - концентрация кислорода в анализируемом газе.

Из уравнения (2) концентрация кислорода в анализируемом газе определяется

После ПТЭЯ анализируемый газ через газоподводящую трубку 4 поступает к внутреннему электроду КТЭЯ и далее через отверстие в установочном узле выходит в окружающий атмосферный воздух. Под действием приложенного напряжения к электродам КТЭЯ осуществляется откачка кислорода из анализируемого газа в окружающий атмосферный воздух. При этом в электрической цепи устанавливается ток откачки кислорода, величина которого определяется токоизмерительным прибором 5. В этом случае концентрация кислорода в анализируемом газе в соответствии с законом Фарадея определится из уравнения

где J - ток откачки кислорода;

М - молекулярный вес кислорода;

Q - расход анализируемого газа.

На основании уравнений (3) и (4) можно записать

Решая уравнение (5) относительно Q получим

Из уравнения (6) следует, что при постоянной температуре электролита и известной концентрации кислорода в окружающем атмосферном воздухе по измерению тока откачки и ЭДС можно весьма точно определить расход газа.

Пример. На приведенном выше устройстве были приведены экспериментальные работы с целью проверки работоспособности предложенного способа. Температура ПТЭЯ поддерживались постоянной (735°С) с помощью регулятора температуры и контролировалась термопарой ТПР. Погрешность поддержания температуры составляла ±2°С.

Температура КТЭЯ была близкой к 735°С, т.к. донышки пробирок находятся в одной температурной зоне.

К электродам КТЭЯ было приложено напряжение 0,6 В от стабилизированного источника постоянного напряжения. В качестве источника использовался регулируемый источник Б5-12. Ток откачки кислорода измеряется амперметром M1104.

Для измерения ЭДС ПТЭЯ использовался высокооммный вольтметр Р 385. В качестве испытуемого газа использовались аргон и азот с содержанием кислорода соответственно 3,1·10^-3 и 1%.

Измерения велись в окружающем атмосферном воздухе.

Расход анализируемого газа через устройство изменяли с помощью переменного дросселя, установленного на входе в устройство.

Поставленные экспериментальные работы сводились к сличению расходов, определяемых предлагаемым способом и с помощью газобарабанного счетчика ГСБ-400, погрешность которого составляет ±0,5%.

Полученные экспериментальные данные сведены в таблицу.

Из табличных данных можно сделать вывод, что расходы, определенные по предлагаемому способу и измеренные газобарабанным счетчиком, имеют хорошую сходимость, не хуже 1%. Полученное расхождение совпадает с погрешностью эксперимента, т.к. примененные средства (измеритель ЭДС, амперметр, регулятор температуры) имеют соизмеримые погрешности с полученным расхождением. При более точных средствах расхождение было бы меньше.

Таким образом, предложенный способ реализуем, объективен и может быть рекомендован к применению.

Использование предлагаемого способа позволяет расширить область применения, т.к. позволяет определить расход всех кислородосодержащих газовых смесей независимо от содержания в них кислорода, а также расход чистого кислорода.

Предлагаемый способ позволит как улучшить метрологические характеристики ряда существующих анализаторов состава газа, так и разработать новые, включая образцовые средства, т.к. от точности измерения расхода газа зависят их точностные характеристики.

Кроме того, предлагаемый способ относится к категории "абсолютных", т.е. не требует градуировки, т.к. имеет расчетную аналитическую зависимость.

Применение предлагаемого способа позволит автоматизировать процесс измерения расхода газа, что не достигается известными способами, поскольку применяемые для этих целей средства требуют ручных операций.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в устройствах для газового анализа. Предложенный способ основан на применении потенциометрической и кулонометрической твердоэлектролитных ячеек (ПТЭЯ и КТЭЯ соответственно), обладающих кислородно-ионной проводимостью при температуре электролита более 600°С. Анализируемый газ, расход которого необходимо определить, предварительно направляют в ПТЭЯ и измеряют на ее электродах ЭДС, величина которой зависит от концентрации кислорода в анализируемом газе. Далее газ направляют в КТЭЯ и полностью удаляют из него кислород путем откачки под действием приложенного к ее электродам напряжения. Расход анализируемого газа определяют по величине ЭДС и току откачки кислорода. Изобретение обеспечивает расширение области применения и повышение точности измерения. 1 ил., 1 табл.

1. Способ измерения расхода кислородосодержащих газов, основанный на измерении кислорода твердоэлектролитными ячейками, отличающийся тем, что с целью расширения области применения и повышения точности измерения расхода, поток анализируемого газа вначале направляют в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, температуру которой поддерживают постоянной, измеряют ЭДС этой ячейки, после чего анализируемый газ направляют в кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку, полностью удаляют кислород из анализируемого газа путем откачки под действием приложенного напряжения к электродам кулонометрической твердоэлектролитной ячейки, а расход рассчитывают по формуле

где Q - расход анализируемого газа;

J - ток откачки кислорода;

М - молекулярный вес кислорода;

R - газовая постоянная;

Е - измеряемая ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки;

F – число Фарадея;

Т - абсолютная температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки;

С - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе.