ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2017 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду и при проведении научно-исследовательских работ, связанных с разработкой технологий получения чистых газов.

Известен газоанализатор для определения кислорода масс-спектрометрическим способом (Вейнеров М.Л. и др. Автоматические газоанализаторы. Центральный институт научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения, М., 1961 г.).

В датчике газоанализатора газ ионизируется. Образовавшиеся ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы иона к его заряду, а затем поступают на коллектор и дают в его цепи ток, пропорциональный парциальному давлению кислорода.

Газоанализатор имеет ряд недостатков:

- сложное аппаратное оформление;

- узкий диапазон измерений.

Известен термомагнитный газоанализатор для определения концентраций кислорода в газах (Колеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. Издательство стандартов, М., 1980 г.).

Способ основан на парамагнитных свойствах кислорода. Под действием магнитного поля возникает термомагнитная конвенция кислорода, содержащегося в анализируем потоке газа, пропускаемого через кольцевой газопровод. По диаметру газопровода имеется соединительный газоход, находящийся под действием магнитного поля. В газоходе устанавливается поток газа, интенсивность которого зависит от концентрации кислорода. Поток газа охлаждает платиновые проволоки, являющиеся плечами измерительного моста постоянного тока. Разбаланс моста регистрируется прибором, отградуированным по кислороду.

Газоанализатор имеет ряд недостатков:

- измерения выполняются в диапазоне макроконцентраций;

- сложное аппаратное оформление.

Известен серийно выпускаемый газоанализатор типа Флюорит (Пирог В.П. и др. Широкодиапазонный твердоэлектролитный газоанализатор кислорода. Приборы, №3, 2007 г., с. 23-26), предназначенный для измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте.

Газоанализатор имеет следующие технические характеристики:

- диапазон измерений, % 10^-6…100;

- основная относительная погрешность в зависимости от измеряемой концентрации, % ±4; ±6; ±10.

В качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ), работающая при температуре (634±2)°C.

Чувствительный элемент газоанализатора выполнен в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при высокой температуре чисто кислородной проводимостью. Рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обеих сторон методом вжигания нанесены пористые платиновые электроды. Рабочим электродом является его внутренний электрод, электрод сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде платиновых дорожек. С наружной стороны чувствительный элемент омывается за счет естественной конвенции воздухом, который является сравнительной средой. Объемная концентрация кислорода в воздухе принимается равной 20.7%.

Сущность работы ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода, на границе металл - твердый электролит газовая фаза устанавливает равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Величина этого потенциала будет зависеть от концентрации кислорода в газовой фазе. Так как потенциал кислорода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой сравнительным.

Разность электродных потенциалов связана с концентрацией кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде соотношением Нернста:

где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ячейки), В;

R - газовая постоянная Дж/моль⋅К;

Т - температура, К;

4⋅F=4⋅96500 - количество электричества, необходимого для переноса 1 моля кислорода, кл/моль;

и - концентрация кислорода в сравнительной и анализируемой средах соответственно, %.

Конструктивно газоанализатор состоит из двух блоков - блока измерений и датчика.

Блок измерений газоанализатора состоит из следующих узлов: преобразователя ЭДС ПТЭЯ в показания концентрации кислорода, терморегулятора, который предназначен для точного поддержания температуры электродов ПТЭЯ.

Датчик газоанализатора состоит из следующих узлов: нагревателя, ПТЭЯ с токоотводом, термопары, которая установлена по центру возле наружного электрода, входного и выходного штуцеров, предназначенных для подачи анализируемого газа.

Датчик и блок измерений газоанализатора соединены между собой межблочным кабелем.

Недостатком данного газоанализатора является схема поддержания температуры между внутренним и внешним электродами ПТЭЯ. В качестве датчика температуры используется термопара, которая своим спаем устанавливается рядом с центром наружного электрода ПТЭЯ. При такой установке термопары между наружным и внутренним электродами ПТЭЯ существует небольшой температурный градиент, что приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС).

Учитывая ТЭДС и содержание кислорода в сравнительной среде номинальная статическая характеристика преобразования принимает вид:

Где Е_т - ТЭДС ПТЭЯ, В

Целью настоящего изобретения является устранение ТЭДС ПТЭЯ. Поставленная цель достигается тем, что в конструкцию датчика газоанализатора введена дополнительная термопара, которая своим спаем установлена рядом с закругленной частью пробирки, а электрически соединена последовательно с термопарой, которая установлена по центру возле наружного электрода ПТЭЯ, что позволяет увеличить зону точного поддержания необходимой температуры, и в эту зону попадают одновременно внешний и внутренний электроды, следовательно, температура электродов будет одинаковая, что необходимо для работоспособности газоанализатора по формуле (1), приведенной выше.

На фиг. 1 схематически изображен газоанализатор, использующий в качестве чувствительного элемента ПТЭЯ.

Конструктивно газоанализатор выполнен из двух блоков - блока измерений и датчика.

Блок измерений состоит из следующих узлов:

1. преобразователя ЭДС ПТЭЯ в показания концентрации кислорода;

2. терморегулятора, поддерживающего температуру ПТЭЯ.

Датчик газоанализатора состоит из следующих узлов:

3. нагревателя;

4. ПТЭЯ;

5. термопары, установленной рядом с закругленной частью пробирки ПТЭЯ;

6. термопары, установленной по центру возле наружного электрода ПТЭЯ;

7. входного и выходного штуцеров для подачи и отвода анализируемого газа;

8. электрический проводник внутреннего электрода ПТЭЯ;

9. электрический проводник внешнего электрода ПТЭЯ.

Датчик и блок измерений газоанализатора соединены между собой межблочным кабелем.

Газоанализатор, собранный по схеме, приведенной на фиг. 1, работает следующим образом: подают напряжение питания и выжидают прогрева ПТЭЯ до температуры (634±2)°C, а затем подают на штуцер «вход газа» анализируемый газ. ЭДС, возникающая между внутренним и внешним электродами ПТЭЯ, по проводникам и межблочному кабелю поступает в блок измерений, где с помощью преобразователя ЭДС ПТЭЯ, работающего по формуле (1), преобразуется в показания объемной доли кислорода в анализируемом газе.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду. Предложено ввести дополнительную термопару в газоанализатор, использующий ПТЭЯ для измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте. Дополнительная термопара своим спаем установлена рядом с закругленной частью пробирки ПТЭЯ, а электрически соединена последовательно с термопарой, установленной по центру возле наружного электрода ПТЭЯ. Технический результат – устранение термоЭДС ПТЭЯ. 1 ил.

Газоанализатор, состоящий из блока измерений и датчика, соединенных между собой межблочным кабелем, отличающийся тем, что с целью устранения термоЭДС ПТЭЯ в конструкцию датчика газоанализатора введена дополнительная термопара, которая своим спаем установлена рядом с закругленной частью пробирки ПТЭЯ, а электрически соединена последовательно с термопарой, установленной по центру возле наружного электрода ПТЭЯ.