Амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере Российский патент 2025 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения содержания метана в воздушной атмосфере, т.е. содержащей кислород, в частности для контроля атмосферы в шахтах.

Известен способ измерения концентрации горючих газов, заключающийся в пропускании номинального значения электрического тока через полупроводниковый сенсор, помещении сенсора в чистый воздух, настройку схемы в нулевое положение, помещение сенсора в среду с анализируемым газом и измерение содержания горючего газа в этой среде. Перед настройкой через сенсор пропускают постепенно увеличивающийся электрический ток от 0 до 135 % номинального тока в течение времени, позволяющего свести к минимуму время настройки прибора, после чего автоматически переходят на номинальное значение тока питания сенсора [RU 2239824, публ. 27.11.2003].

Данный способ измерения концентрации горючих газов, к которым относится и метан, характеризуется сложностью аппаратурного оформления, требующей трудоемкой процедуре его настройки, что усложняет эксплуатацию прибора для реализации способа.

К более простым в эксплуатации относятся электрохимические способы измерения содержания горючих газов. К таковым относится амперометрический способ измерения концентрации горючих газов в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого горючего газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной герметично соединенными между собой двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях одного из дисков расположена пара электродов, к которым подают напряжение постоянного тока в пределах 300-500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, и по величине возникающего при этом предельного тока, протекающего через ячейку, определяют концентрацию горючего газа в анализируемой газовой смеси [RU 2563325, публ. 24.08.2015].

Данный способ не требует сложного аппаратурного оформления, прост в применении, однако с его помощью можно измерять содержание горючих газов в газовой смеси, не содержащей кислорода, соответственно измерить содержание метана в воздухе данным способом не представляется возможным.

Задача изобретения заключается в разработке электрохимического способа измерения содержания метана в воздушной атмосфере.

Для этого предложенный амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере также характеризуется тем, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, имеющую капилляр для газообмена между полостью и анализируемым газом, на противоположных поверхностях одного из дисков расположена пара электродов, и для получения предельного тока, протекающего через ячейку, к электродам подают напряжение постоянного тока с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки. Способ отличается тем, что используют электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из протонпроводящего твердого электролита, которую помещают в поток предварительно осушенного анализируемого газа, к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 200 – 700 мВ и по величине полученного при этом предельного тока, протекающего через ячейку, определяют концентрацию метана в воздушной атмосфере.

Под действием напряжения постоянного тока, приложенного к электродам электрохимической ячейки, через твердый протонопроводящий электролит происходит откачка водорода, полученного вследствие электролиза влаги, образовавшейся от сгорания метана в кислороде, предварительно осушенного анализируемого газа, из внутренней полости ячейки в поток анализируемого газа. Образовавшиеся продукты взаимодействия обмениваются через капилляр с анализируемым газом, при достижении приложенного напряжения величины в пределах 200 – 700 мВ, газообмен между полостью ячейки и анализируемой средой стабилизируется и в цепи устанавливается предельный диффузионный ток, по величине которого с помощью известных уравнений можно определить концентрацию метана в анализируемой воздушной атмосфере.

Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности определения концентрации метана в воздушной атмосфере с помощью электрохимической ячейки на основе хорошо изученного твердого электролита.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена электрохимическая ячейка для реализации способа; на фиг. 2 – газовая схема анализа; на фиг.3 – вольт-амперная характеристика при анализе метана в воздухе; на фиг.4 – зависимость предельного тока от концентрации метана.

В трубчатый термостат 1 помещена электрохимическая ячейка, содержащая диски 2 и 3 из протонпроводящего твердого электролита состава CaZr_0,95Sc_0,05O₃. Диски соединены между собой газоплотным герметиком 4 с образованием полости 5. На противоположных поверхностях диска 2 расположены электроды: внутренний 6 и внешний 7. Между дисками вклеен капилляр 8. С целью удаления влаги анализируемый газ перед подачей в термостат проходит через влагопоглотитель в виде емкости с цеолитом объемом 15-20 см³.

На электроды 6 и 7 прогретой в термостате ячейки подают напряжение от источника напряжения постоянного тока (ИН). Ток, возникающий в цепи ячейки, измеряется амперметром (А). Поток анализируемого газа омывает наружную поверхность электрохимической ячейки и по капилляру 8 поступает в полость ячейки 5. При подаче на электроды ячейки напряжения постоянного тока, при условии, что плюс от источника подается на электрод 6, в цепи возникает ток и происходит откачка водорода из полости 5 в поток анализируемой газовой смеси. Водород в полости ячейки образуется вследствие электролитического разложения влаги:

2Н₂О = 2Н₂ + О₂ (1)

образовавшейся при сгорании метана в кислороде воздуха:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О. (2)

Рабочая температура термостата от 550 до 700°С обеспечивает полное сгорание метана в кислороде воздуха с образованием влаги (температура самовоспламенения 537°С). Образовавшиеся продукты взаимодействия, в соответствии с уравнениями (1) и (2), обмениваются через капилляр 8 с анализируемым газом. При этом капилляр 8 является диффузионным барьером, лимитирующим этот газовый поток обмена. Этому потоку обмена будет соответствовать и ток ячейки.

При достижении состояния, когда количество водорода, откачанного из полости 5 сравняется с количеством водорода, поступившего в эту полость в виде влаги, ток через ячейку стабилизируется и перестает расти с ростом напряжения. Полученный ток является предельным током (I_{L(СН4+воздух)} ), его величина обусловлена содержанием метана в анализируемом газе и рассчитывается согласно уравнению:

I_{L(СН4+воздух)} = -; (3)

где: D – коэффициент диффузии метана в воздухе;

X _(СН4) – мольная доля метана в воздухе;

S – площадь сечения капилляра, мм²;

P – общее давление газовой смеси, Па;

T – температура анализа, К;

L – длина капилляра, мм.

Посредством уравнения (3) по величине измеренного I_{L(СН4+воздух)} можно определить величину Х_(СН4), т.е. концентрацию метана в анализируемой воздушной атмосфере.

Таким образом, заявленный способ позволяет определять концентрацию метана в смеси с воздухом с помощью электрохимической ячейки на основе хорошо изученного твердого электролита.

Использование: для измерения концентрации метана в воздушной атмосфере. Сущность изобретения заключается в том, что поток анализируемого газа помещают в электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, имеющую капилляр для газообмена между полостью и анализируемым газом, на противоположных поверхностях одного из дисков расположена пара электродов, и для получения предельного тока, протекающего через ячейку, к электродам подают напряжение постоянного тока с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, при этом используют электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из протонпроводящего твердого электролита, которую помещают в поток предварительно осушенного анализируемого газа, к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 200–700 мВ и по величине полученного при этом предельного тока, протекающего через ячейку, определяют концентрацию метана в воздушной атмосфере. Технический результат: обеспечение возможности достоверного определения концентрации метана в смеси с воздухом, используя более простые средства измерения. 4 ил.

Амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере, характеризующийся тем, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита, имеющую капилляр для газообмена между полостью и анализируемым газом, на противоположных поверхностях одного из дисков расположена пара электродов, и для получения предельного тока, протекающего через ячейку, к электродам подают напряжение постоянного тока с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, отличающийся тем, что используют электрохимическую ячейку с полостью, образованную соединенными между собой двумя дисками из протонпроводящего твердого электролита, которую помещают в поток предварительно осушенного анализируемого газа, к электродам подают напряжение постоянного тока в пределах 200–700 мВ и по величине полученного при этом предельного тока, протекающего через ячейку, определяют концентрацию метана в воздушной атмосфере.