ГАЗОАНАЛИЗАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ В АНАЛИЗИРУЕМОЙ СРЕДЕ С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ ОТ 0 ДО 98% Российский патент 2007 года по МПК G01N27/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для измерений концентрации компонентов (например, хлора, аммиака, диоксида серы) в воздухе рабочей зоны.

Известны газоанализаторы [например, газоанализатор модификации "ХОББИТ-T-Cl₂". Паспорт. ЛШЮГ.413411.003 ПС], датчики которых представляют собой систему электрохимического чувствительного элемента, выполненного в виде "таблетки", установленной во фторопластовую оправу, и предварительного усилителя. На фиг.1 схематически показан датчик газоанализатора, включающий корпус 1, основание 2 с отверстием для контакта вещества «таблетки» с анализируемой средой, "таблетку" чувствительного элемента 3, электроды 4, фторопластовую оправу 5, плату 6, на которой монтируется предварительный усилитель, крышку 7 и соединительный кабель 8, возможно включение и других электрических (электронных) узлов [Сигнализаторы аммиака СА-2-01. Руководство по эксплуатации. ИБЯЛ.413411.033 РЭ. Сигнализатор контроля хлора. Технические условия. ИБЯЛ.413411.035 ТУ].

В состав «таблетки» чувствительного элемента газоанализатора входит гидратированная соль измеряемого компонента, например, при измерении массовой концентрации хлора в состав «таблетки» может входить LiCl·H₂O, MgCl₂·6H₂O или другие хлорсодержащие соли. При работе газоанализатора измеряемый компонент взаимодействует с диссоциированными молекулами гидратированной соли, в результате чего в чувствительном элементе возникает электрический ток, пропорциональный массовой концентрации измеряемого компонента в анализируемой среде. Далее электрический ток преобразуется в требуемый выходной сигнал газоанализатора.

Одним из нормируемых параметров условий эксплуатации электрохимических газоанализаторов является относительная влажность анализируемой среды. Для большинства газоанализаторов она ограничивается рабочим диапазоном от 30 до 98% (например, для газоанализатора «ХОББИТ-Т-Cl₂» - 30-75%, для индивидуального газосигнализатора хлора "Хмель-В" - 30-95%, для сигнализатора аммиака СА-2-01 - 30-98%), при этом суммарная погрешность измерения может достигать 50% и складывается из двух составляющих: основной, которая равна ±25%, и дополнительной, которая может достигать значения ±25%. Дополнительная погрешность зависит от отклонения относительной влажности анализируемой среды от номинального значения 65%.

Зависимость погрешности измерения электрохимического газоанализатора и срока службы его чувствительного элемента от относительной влажности анализируемой среды обусловлена наличием в составе «таблетки» чувствительного элемента гидратированной соли измеряемого компонента, например LiCl·H₂O или MgCl₂·6H₂O, равновесная относительная влажность воздуха для которых 12 и 33,1% соответственно [OIML. International Recommendation. The scal of relative humidity of air certified against saturated salt solution. OIML R 121. Edition 1996 (E)]. При проведении измерений в анализируемой среде с относительной влажностью менее равновесной для используемых гидратов солей происходит их обезвоживание, что приводит к уменьшению доли диссоциированных молекул соли и, как следствие, к уменьшению рабочего тока чувствительного элемента, изменению градуировочной характеристики и увеличению погрешности газоанализатора. В случае длительного измерения в такой среде происходит полное обезвоживание «таблетки» и прекращение диссоциации молекул соли (рабочий ток практически равен нулю), при этом возможно окисление некоторых компонентов таблетки кислородом воздуха, что приводит к необратимому выходу чувствительного элемента из строя.

Особенно актуальна проблема измерения массовой концентрации компонентов в воздухе рабочей зоны в зимний период года, когда температура воздуха вне помещений держится на уровне минус 20-30°С. При этом в помещениях относительная влажность воздуха составляет 8-12%. В указанных условиях эксплуатации чувствительные элементы быстро выходят из строя.

Недостатками электрохимических газоанализаторов являются:

- зависимость погрешности газоанализатора от относительной влажности анализируемой среды;

- уменьшение срока службы чувствительного элемента газоанализатора при эксплуатации его в анализируемой среде с относительной влажностью менее 30%;

- невозможность измерения концентрации компонента в анализируемой среде, относительная влажность которой менее 30% и в "сухой" среде.

Задачей изобретения является обеспечение возможности измерений концентрации компонента в анализируемой среде с относительной влажностью менее 30% и в "сухой" среде, увеличение срока службы чувствительных элементов и уменьшение дополнительной погрешности измерения в указанных условиях.

Технический результат заключается:

- в обеспечении возможности измерения концентрации компонента в анализируемой среде с относительной влажностью от 0 до 98%;

- в увеличении срока службы чувствительного элемента газоанализатора;

- в уменьшении дополнительной погрешности газоанализатора при изменении относительной влажности анализируемой среды.

Технический результат достигается тем, что в корпус датчика газоанализатора, содержащего электрохимический чувствительный элемент, выполненный в виде «таблетки» во фторопластовой оправе, и предварительный усилитель, встроен увлажнитель таким образом, что увлажняет анализируемую среду возле рабочей поверхности чувствительного элемента и представляет собой емкость для заполнения водой, образованную основанием, имеющим выступающую часть конической формы, переходящую в часть цилиндрической формы, и цилиндрической крышкой, соединенными герметично между собой. Для контакта анализируемой среды с чувствительным элементом газоанализатора увлажнитель имеет отверстие в цилиндрической крышке, соосное с отверстием внутри выступающей части основания, повторяющим ее форму. На боковой поверхности цилиндрической выступающей части основания выполнена перфорация, диаметр и количество отверстий которой зависят от требуемой степени увлажнения анализируемой среды.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленный газоанализатор отличается от известного тем, что содержит увлажнитель, встроенный в датчик газоанализатора таким образом, что увлажняет анализируемую среду возле рабочей поверхности чувствительного элемента

На фиг.2 схематически показан датчик газоанализатора для измерения концентрации компонентов в анализируемой среде с относительной влажностью от 0 до 98%.

Предлагаемый датчик содержит все элементы датчика, приведенного на фиг.1, в котором основание 2 заменено на увлажнитель, состоящий из двух деталей: основания 9, имеющего выступающую часть конической формы 10, переходящую в часть цилиндрической формы 11 и цилиндрической крышки 12. При соединении этих двух деталей (9 и 12) герметично между собой образуется емкость 13 для заполнения водой. Для контакта анализируемой среды с чувствительным элементом газоанализатора в цилиндрической крышке 12 увлажнителя выполнено отверстие 14, соосно с отверстием 15 в цилиндрической выступающей части основания 9, переходящим в коническое отверстие 16. На боковой поверхности цилиндрической выступающей части 11 основания выполнена перфорация 17.

Устройство работает следующим образом.

В емкость 13 увлажнителя через пробку (на фиг.2 не показана) шприцем заливают воду до отметки. Пары воды из емкости 13 диффундируют через отверстия перфорации 17 в полость 15, увлажняя анализируемую среду в зоне, граничащей с рабочей поверхностью чувствительного элемента.

По мере расходования (испарения) воды она вновь доливается до отметки оператором, обслуживающим газоанализатор.

Степень увлажнения анализируемой среды изменяется в зависимости от количества и диаметра отверстий перфорации, которые подбираются для обеспечения требуемого режима работы увлажнителя. Оптимальный диаметр отверстий перфорации, выполняющей роль диффузионного барьера, равен 0,9-1,1 мм, изменяя их количество в диапазоне 12-20 шт., получают точно требуемую степень увлажнения анализируемой среды. Оптимальным является режим, при котором практически "сухая" анализируемая среда увлажняется до 35-45% относительной влажности, что соответствует требованиям технических условий на газоанализатор, а расход воды при этом минимальный.

Движущей силой в процессе переноса паров воды из емкости 13 в полость 15 является разность концентраций водяного пара с разных сторон диффузионного барьера. В емкости над поверхностью воды при любой температуре самопроизвольно поддерживается равновесная относительная влажность, равная 100%, в полости цилиндрической выступающей части основания относительная влажность анализируемой среды изменяется в соответствии с изменением относительной влажности окружающей среды, и чем меньше последняя, тем больше будет перенос влаги из емкости в полость. При относительной влажности анализируемой среды 85-95% и выше перенос влаги из емкости минимальный, за счет чего относительная влажность увеличивается незначительно.

Введение в состав датчика газоанализатора увлажнителя не увеличивает основную погрешность газоанализатора, так как его градуировку проводят с установленным увлажнителем.

Не изменяется также и рабочий температурный диапазон. Увлажнитель работает как при положительных, так и при отрицательных температурах окружающей среды. При температуре ниже минус 20°С для предотвращения разрыва увлажнителя льдом допускается заполнять его через отверстие 18 вместо воды увлажненными солями К₂SO₄ или KNO₃, равновесная относительная влажность над которыми равна 96-98%.

Таким образом, увлажнитель постоянно поддерживает относительную влажность среды возле рабочей поверхности чувствительного элемента не менее 35-45%, что предотвращает обезвоживание "таблетки" чувствительного элемента и, соответственно, повышает срок его службы. Кроме того, увлажнитель замедляет уменьшение относительной влажности анализируемой среды, этим обусловливается уменьшение дополнительной погрешности газоанализатора, вызываемое изменением относительной влажности.

В корпус датчика газоанализатора введен увлажнитель для того, чтобы увлажнить анализируемую среду возле рабочей поверхности чувствительного элемента. Увлажнитель представляет собой емкость для заполнения водой, образованную основанием, имеющим выступающую часть конической формы, переходящую в часть цилиндрической формы, и цилиндрической крышкой, соединенными герметично между собой. Для контакта анализируемой среды с чувствительным элементом газоанализатора увлажнитель имеет отверстие в цилиндрической крышке, соосное с отверстием внутри выступающей части основания, повторяющим ее форму. На боковой поверхности цилиндрической выступающей части основания выполнена перфорация, диаметр и количество отверстий которой зависят от требуемой степени увлажнения анализируемой среды. Конструкция газоанализатора согласно изобретению обеспечивает возможность измерения концентрации компонента в анализируемой среде с относительной влажностью от 0 до 98%, увеличение срока службы чувствительного элемента газоанализатора, уменьшение дополнительной погрешности газоанализатора при изменении относительной влажности анализируемой среды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газоанализатор, датчик которого содержит электрохимический чувствительный элемент, выполненный в виде «таблетки» во фторопластовой оправе и предварительный усилитель, отличающийся тем, что в корпус датчика встроен увлажнитель таким образом, что увлажняет анализируемую среду возле рабочей поверхности электрохимического чувствительного элемента.2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что увлажнитель, встроенный в корпус его датчика, представляет собой емкость для заполнения водой, образованную основанием, имеющим выступающую часть конической формы, переходящую в часть цилиндрической формы, и цилиндрической крышкой, соединенными герметично между собой, причем в цилиндрической крышке выполнено отверстие, соосно с отверстием внутри выступающей части основания, повторяющим ее форму, а на боковой поверхности цилиндрической выступающей части основания выполнена перфорация.3. Газоанализатор по п.2, отличающийся тем, что оптимальный диаметр отверстий перфорации равен 0,9-1,1 мм, их количество изменяется в диапазоне 12-20 штук.