ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2023 года по МПК G01N27/417 G01N27/42 

Предлагаемое 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 серийно выпускаемый газоанализатор 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…1005; %

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

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

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 Больцмана, Дж/моль*К;

Т - температура, К;

4F=4*6500 - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода, кл/моль;

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

Данный метод измерения концентрации кислорода хорош при измерении концентрации кислорода чистых газов, но при наличии в анализируемом газе горючих веществ и газов, а это часто бывает, показание газоанализатора занижают, потому что происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, поэтому в эксплуатационной документации на газоанализатор введены ограничения по содержанию горючих веществ и газов в анализируемом газе.

Целью настоящего изобретения является измерение концентрации кислорода потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой при наличии горючих веществ и газов в анализируемом газе.

Поставленная цель достигается тем, что в пневматическую схему газоанализатора введена кулонометрическая ячейка, которая соединена с ней последовательно.

Кулонометрическая ячейка предназначена для измерения объемной доли влаги путем извлечения ее из анализируемого газа и последующего измерения тока электролиза этой влаги в кулонометрической ячейке.

Суммарный ток 1о электролиза в кулонометрической ячейке при постоянном расходе пропорционален объемной доле влаги, содержащейся в анализируемом газе и определяется по формуле:

где - объемная доля влаги в анализируемом газе, млн^-1;

- электрохимический эквивалент воды;

Q - расход газа, см³/мин;

I₀ - общий ток электролиза кулонометрической ячейки, мкА.

Влага, поступающая в кулонометрическую ячейку, образована путем полного взаимодействия горючих веществ и газов с кислородом, находящегося в анализируемом газе. Количество кислорода, вступившего во взаимодействие с горючим веществом и газом, определяется по формуле:

где - концентрация кислорода, %:

3.14⋅10^-4 - коэффициент, обусловленный выбором единиц физических величин,

На Фиг. 1 схематически изображен газоанализатор для измерения концентрации кислорода при наличии горючих веществ и газов в анализируемом газе. Газоанализатор содержит: осушитель 1, стабилизатор расхода газа 2, блок измерений 3, потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку 4, терморегулятор 5, кулонометрическую ячейку 6.

Газоанализатор работает следующим образом:

Анализируемый газ через входной штуцер поступает в осушитель, в котором удаляется влага находящаяся в анализируемом газе, и поступает в стабилизатор расхода газа, который задает и поддерживает расход анализируемого газа в пневматической схеме газоанализатора, далее анализируемый газ поступает в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, в ней с помощью терморегулятора установлена температура (634±2)°С, где происходят два процесса: в зависимости от концентрации кислорода в анализируемом газе на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки появляется разность электродных потенциалов и происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, далее анализируемый газ поступает в кулонометрическую ячейку, которая извлекает влагу из анализируемого газа и проводит электролиз этой влаги.

Разность электродных потенциалов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и ток электролиза кулонометрической ячейки поступают в блок измерений. В блоке измерений, используя формулы (1) и (3) определяется содержание кислорода полученное потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой и содержание кислорода полученное кулонометрической ячейкой, которые суммируются и показания выводятся на табло.

Предлагаемое 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. Заявлен газоанализатор, содержащий осушитель, имеющий вход для впуска анализируемого газа, последовательно соединенный с ним стабилизатор расхода газа, с которым последовательно соединена потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, в которой появляется разность электродных потенциалов и происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, к потенциометрической твердоэлектролитной ячейке последовательно присоединена кулонометрическая ячейка, которая извлекает влагу из анализируемого газа и проводит электролиз этой влаги, при этом потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка соединена с терморегулятором, а разность электродных потенциалов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и ток электролиза кулонометрической ячейки поступают в блок измерений, где определяется содержание кислорода, полученное потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой, и содержание кислорода, полученное кулонометрической ячейкой, которые суммируются, причем кулонометрическая ячейка имеет выходное отверстие для выпуска газа. Технический результат – повышение точности измерения концентрации кислорода в анализируемом газе, особенно при измерении малых концентраций. 1 ил.

Газоанализатор, содержащий осушитель, имеющий вход для впуска анализируемого газа, последовательно соединенный с ним стабилизатор расхода газа, с которым последовательно соединена потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, в которой появляется разность электродных потенциалов и происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, к потенциометрической твердоэлектролитной ячейке последовательно присоединена кулонометрическая ячейка, которая извлекает влагу из анализируемого газа и проводит электролиз этой влаги, при этом потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка соединена с терморегулятором, а разность электродных потенциалов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и ток электролиза кулонометрической ячейки поступают в блок измерений, где определяется содержание кислорода, полученное потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой, и содержание кислорода, полученное кулонометрической ячейкой, которые суммируются, причем кулонометрическая ячейка имеет выходное отверстие для выпуска газа.