Способ определения содержания компонентов в высокотемпературных газовых средах Российский патент 2024 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к определению содержания компонентов в высокотемпературных газовых средах и может быть использовано для измерения содержания кислорода и углекислого газа в газовой смеси с азотом при решении технологических задач, связанных с безопасностью персонала и экологическим контролем.

Известен оптический абсорбционный способ измерения углекислого газа, осуществляемый с помощью оптического анализатора [RU № 2421709, опубл. 20.06.2011]. Анализатор содержит источник излучения с устройством разделения лучистого потока, камеру с «нулевым» газом, камеру для анализируемой смеси, приемники сравнительного и рабочего каналов, содержащие идентичные металлические пластины, размещенные на диэлектрических подложках с малым коэффициентом теплопроводности, устройство измерения электросопротивления, блок управления, приема и обработки данных.

Источник оптического излучения с устройством разделения лучистого потока формирует два одинаковых пучка, при этом камера для анализируемой смеси и приемник рабочего канала последовательно расположены на пути прохождения одного пучка, а камера с «нулевым» газом и приемник сравнительного канала расположены на пути другого пучка. Металлические пластины приемников обоих каналов своими контактами соединены с соответствующими входами устройства измерения электросопротивления, сопряженного с блоком управления, приема и обработки данных.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что «нулевой» газ и анализируемый газы должны иметь одинаковый состав, причем как качественно, так и количественно, по всем присутствующим компонентам, кроме диоксида углерода (в частности, иметь одинаковое кислородосодержание). Кроме того, данный способ измерения углекислого газа требует сложного аппаратурного оформления и нуждается в квалифицированном обслуживании.

Известен амперометрический способ измерения концентрации диоксида углерода в азоте [RU № 2611578, опубл. 28.02.2017]. Данный способ заключается в том, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из протонопроводящего твердого электролита La_0,9Sr_0,1YO_3-σ, на противоположных поверхностях одного из дисков расположены электроды , на которые подают напряжение постоянного тока в пределах 400-500 мВ с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и накачку полученного в результате электролиза водорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: «наружный электрод – твердый электролит – внутренний электрод». В процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов восстановления углекислого газа из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию водорода, потраченного на восстановление углекислого газа, определяют концентрацию углекислого газа в азоте. Применение данного способа, включающего использование электрохимических твердооксидных сенсоров, ограничено измерением концентрации диоксида углерода в азоте.

Техническая проблема, решаемая при создании изобретения заключается в расширении арсенала технических средств определения компонентов в высокотемпературных газовых средах с использованием твердооксидных сенсоров.

Для этого предложен способ определения содержания компонентов в высокотемпературных газовых средах, заключающийся в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают сенсор с полостью, образованной двумя герметично соединенными дисками из кислородопроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из дисков расположены электроды, а между дисками – капилляр, при этом для измерения концентрации кислорода на электроды подают напряжение постоянного тока в пределах 0,2÷0,6 В с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют откачку свободного кислорода, находящегося в анализируемой газовой смеси, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию кислорода в анализируемой газовой смеси, далее для измерения концентрации углекислого газа напряжение постоянного тока увеличивают до 0,8÷1,2 В, посредством чего осуществляют откачку кислорода, образовавшегося в результате электролитического разложения диоксида углерода, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию углекислого газа в анализируемой газовой смеси.

Заявляемый способ позволяет при помощи одного и того же сенсора измерять концентрацию кислорода и углекислого газа в азоте, что расширяет арсенал технических средств определения компонентов в высокотемпературных газовых средах с использованием твердооксидных сенсоров.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в расширении арсенала технических средств определения компонентов в высокотемпературных газовых средах с использованием твердооксидных сенсоров.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображен сенсор для реализации заявленного способа; на фиг. 2 – вольт-амперная характеристика сенсора при анализе газовых смесей с разным содержанием кислорода и содержанием углекислого газа равного 5% при температуре 700°С; на фиг.3 – зависимость величины предельных токов от концентрации кислорода; фиг.4 – зависимость величины предельных токов от концентрации углекислого газа в смеси с азотом.

Сенсор для реализации заявленного способа состоит из двух дисков 1, выполненных из кислородопроводящего твердого электролита на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. На противоположных поверхностях одного из дисков расположены внутренний 2 и наружный 3 электроды. Диски 1 соединены между собой газоплотным герметиком 4 с образованием полости 5. Между дисками находится капилляр 6. Подача напряжения на электроды 2 и 3 осуществляется от источника напряжения постоянного тока (ИН) и контролируется вольтметром (V). Ток, возникающий в цепи сенсора, измеряется амперметром (А).

Сенсор помещают в поток анализируемой газовой смеси, который омывает его наружную поверхность. Газообмен между анализируемой газовой смесью и газом в полости 5 сенсора происходит через капилляр 6, который при этом является диффузионным барьером, лимитирующим этот газообмен. Под действием напряжения постоянного тока, приложенного к электродам 2 и 3, с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод 2, происходит откачка кислорода из полости сенсора в поток анализируемой газовой смеси по цепи: «внутренний электрод –твердый электролит – наружный электрод». При величине напряжения 0,2÷0,6 В и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор первый предельный ток, который соответствует количеству свободного кислорода в анализируемой газовой смеси. Величина первого предельного тока сенсора I_{L(О2- N2)}, лимитируется диффузионным барьером-капилляром 6 сенсора и связана с концентрацией свободного кислорода [Иванов-Шиц И., Ионика твердого тела, том 2, С.-Петербург (2010). С. 964-965] уравнением (1):

I_{L(О2- N2)} = – ; (1)

где:

D_{(О2 – N2)} – коэффициент диффузии кислорода в азоте, см²/сек;

X_(O2) –мольная доля кислорода в азоте;

S – площадь сечения капилляра, мм²;

P – общее давление газовой смеси, атм;

T – температура анализа, °С;

L – длина капилляра (мм);

R – газовая постоянная (1,9873 кал/град⋅моль);

F – число Фарадея.

При дальнейшем увеличении подаваемого напряжения до величины
0,8 ÷1,2 В генерируется второй предельный ток, соответствующий тому количеству кислорода, которое образовалось после электролитического разложения диоксида углерода по уравнению СО₂ (СО₂ = СО + 0.5О₂) с откачкой образовавшегося кислорода.

Величина второго предельного тока сенсора I_{L(СО2 – N2)} связана с концентрацией углекислого газа уравнением (2):

I_{L(СО2- N2)} = – ; (2)

где:

D_{( СО2 –N2)} – коэффициент диффузии углекислого газа в азоте, см²/сек;

X _(CO2) – мольная доля углекислого газа в азоте;

S – площадь сечения капилляра, мм²;

P – общее давление газовой смеси, атм;

T – температура анализа, °С;

L – длина капилляра (мм);

R – газовая постоянная (1,9873 кал/град⋅моль);

F – число Фарадея.

В соответствии с уравнением (2) рассчитывают содержание углекислого газа по измеренному значению второго предельного тока I_{L(CO2 – N2)}.

Таким образом, заявляемый способ позволяет при помощи одного и того же сенсора измерять концентрацию кислорода и углекислого газа в азоте, что расширяет арсенал технических средств определения компонентов в высокотемпературных газовых средах с использованием твердооксидных сенсоров.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к определению содержания компонентов в высокотемпературных газовых средах и может быть использовано для измерения содержания кислорода и углекислого газа в газовой смеси с азотом при решении технологических задач, связанных с безопасностью персонала и экологическим контролем. Способ заключается в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают сенсор с полостью, образованной двумя герметично соединенными дисками из кислородопроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из дисков расположены электроды, а между дисками – капилляр, при этом для измерения концентрации кислорода на электроды подают напряжение постоянного тока в пределах 0,2÷0,6 В с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют откачку свободного кислорода, находящегося в анализируемой газовой смеси, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию кислорода в анализируемой газовой смеси, далее для измерения концентрации углекислого газа напряжение постоянного тока увеличивают до 0,8÷1,2 В, посредством чего осуществляют откачку кислорода, образовавшегося в результате электролитического разложения диоксида углерода, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию углекислого газа в анализируемой газовой смеси. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств определения компонентов в высокотемпературных газовых средах с использованием твердооксидных сенсоров. 4 ил.

Способ определения содержания компонентов в высокотемпературных газовых средах, заключающийся в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают сенсор с полостью, образованной двумя герметично соединенными дисками из кислородопроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из дисков расположены электроды, а между дисками – капилляр, при этом для измерения концентрации кислорода на электроды подают напряжение постоянного тока в пределах 0,2÷0,6 В с подачей отрицательного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют откачку свободного кислорода, находящегося в анализируемой газовой смеси, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию кислорода в анализируемой газовой смеси, далее для измерения концентрации углекислого газа напряжение постоянного тока увеличивают до 0,8÷1,2 В, посредством чего осуществляют откачку кислорода, образовавшегося в результате электролитического разложения диоксида углерода, и в процессе достижения стационарного состояния, когда количество анализируемой газовой смеси, поступившей через капилляр в полость сенсора, станет равным количеству откачанного из нее кислорода, измеряют протекающий через сенсор предельный ток, по величине которого определяют концентрацию углекислого газа в анализируемой газовой смеси.