Устройство для измерения объемной доли компонентов газовой смеси Советский патент 1983 года по МПК G01N27/46 

УЗ г i

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ ,СМЕСИ, содержащее реактор, электролитическую и твердоэлектролитную 1.ячейки, причем ячейки снабжены источниками напряжения и измерителями тока, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности из, мерений, электролитическая ячейка и реактор выполнены в виде трех .элек-. тродов, закрепленных в общем канале корпуса, а ячейка выполнена в виде двух ступеней, при этом один, электрод является общим, а два других расположены соответственно в первой и второй ступени ячейки, часть общего электрода между двумя ступенями служит нагревателем реактора. 2. Устройство по п.1,отличающееся тем, что соотношение длин первой и второй ступени не менее 1:2..§

4;:

о

о:) да оо Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к устройствам для анализа газовых смесей/, содержащих кислород, водород и воду, и может быть использовано дл технологического контроля при получении инертных газов на воздухоразде лительных установках, контроля чисто ты газа по кислороду, водороду и вод после каталитической очистки,, а такж для контроля сод ержания кислорода, воды в йодороде и водорода, воды в кислороде криогенных технологических систем. Известно устройство для определения кислорода или водорода, содержащихся в газовой смеси, состоящее из электролитического дозатора кислорода либо водорода, осушителя, реактор с катализатором и электролитической ячейки для разложения воды. Анализируемый газ поступает в дозатор, где в поток газа добавляются кислород ли бо водородi Далее поток газа проходи через осушитель и поступает в реактор, где .происходит взаимодействие . определяемого компонента с добавлением. Образовавшаяся в результате реакции вода подвергается электролиз в электролитической я 1ейке. Ток элек тролита является мерой объемной доли кислорода либо водорода Сij. Основными недостатками газоанали,затора являются периодичность а.нализа, невозможность определения всех трех компонентов в их совместном при сутствии и его громоздкость. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения Объемной доли компонентов с зовой смеси, содержащее реактор, электролитическую и твердоэлектролитную ячейки, причем ячейки снабжены источниками напряжения и измерителями тока 21. . Недостаток известного ..устройства заключается в том, что оно не позволяет вести одновременно измерения кислорода, водорода и воды как в инертных газах и азоте, так и измерения кислорода, воды в водороде и водорода, водыв кислороде, а также требует применения достаточно сложных устройств: дегйдратора - для проведения предварительной осушки анализируемого газа (с наличием процесса его регенерации) и реактора для проведения реакции окисления, ко торые в сочетании с соединительным газовым трактом (особенно между реак тором и электролитической ячейкой) .приводят к увеличению инерционности устройства, обусловленной процессами сорбции влаги на их повергсностях. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в.устройстве для измерения объем ной доли компонентов газовой смеси, содержащем реактор., электролитическую и твердоэлектролитную ячейки, причем ячейки снабжены источниками напряжения и измерит;елями тока, электролитическая ячейка и реактор выполнены в виде трех электродов, закреплённых в общем канале , корпуса, а ячейка выполнена в виде двух ступеней, при этом один электрод являет-.ся общим, а два других расположены соответственно в первой и второй ступени ячейки, часть общего электрода между двумя ступенями служит нагревателем реактора. Кроме того, соотношение длин первой, и второй ступени не менее 1:2. На чертеже приведена функциодальная схема устройства. Устройство содержит электролитическую -ячейку , состоящую из двух сту-пеней и 2, для разложения воды, с источниками 3 и 4 напряжений, реактор 5, размещенный между ступенями ячейки, с реакционной камерой-б, на-. гревателем 7 и выводами 8, твердоэлектролитную ячейку 9 для дозирования- ( откачки) кислорода в анализируемый газ с источником 10 напряжения, измерители 11-13 тока и электрические вентили 14 и. 15. - . Обе ступени ячейки и реактор могут быть выполнены например, в виде трех несоприкасающихся галикоидально намотанных.платиновых или радиевых электродов 16-18, размещенных в канале 19 толстостенной сте-клянной трубки 20. Трубка 20 является одновременно корпусом ячейки и реактора.- Электрод 16 является общим для обоих ступеней ячейки и нагревателя реактора и навит по Геликоидальной кривой по всей длине канала. Ме.жду витками общего электрода 16 по общей геликоидальной линии расположены электроды 17 и18. между электродами 16 и 1.7 составляет первую ступень ячейки, и участок между электродами 16 и 18 составляет вторую ступень ячейки. На поверхность канала и электродсзв ячейки нанесен слой 21 гигроскопического вещества, например фосфорного ангидрида. Первая ступень ячейки, предназначена для разложения воды, содержащейся в анализируемом газе под действием напряжения, подаваемого на электроды16 и 17 от источника 3 постоянного напряжения, а вторая ступень ячейки предназначена для разложения водал, образовавшейся в реакторе в результате взаимодействия кислорода и водорода, под действием напряжения, подаваемого наэлектроды 16 и 18 отисточника 4 постоянного напряжения.Контроль тока электролиза воды первой ступени ячейки осуществляется измерителем 11 тока, включенным в разрыв цепи электрода 17. Соединение общего электрода 16 и двух противоположных полюсов источников. 3 и 4 напряжений в.обЫую точку А, а электродов 17 и . 18 соответственно .с их другими полюсами позволяет измерять разность тот ков электролиза между второй и перво ступеняг-та ячейки с помощью измерителей 12 (13} тока образующими с электрическими вентилями 14 и 15 мостову схему. В одну диагсэналв схемы подсое динены общая точка А и второй электрод второй ступен-и ячейки, а в другую - электроды твердоэлектролитной ячейки 9. Устройство работает следующим образом. 4 Анализируемый газ с постоянн-ой скоростью поступает в первую ступень ячейки. Вода, содержащаяся в газе, полностью извлекается из него первой ,ступенью ячейки и под действием напряжения,- приложенного к электродам 16 и 17 от источника 3 напряжения, подвергается электролизу. При этом продукты электролиёа воды -гкислород и водород выделяются в анализируемый газ. Ток электролиза . , измеряемый токоизмерительным прибором 11, при постоянном расходе газа пропорционален объемной доле воды, содержащейся в ансьлизируемом газе, определяемой по соотношению - г - iO -(А) - ,. -объемная доля в rase гДе ИгО -электрохимический эквивален т воды; -расход газа, -ток электролиза. Далее газ с примесями кислорода и во дорода,, содержащимися в анализируемом /газе и выделенными первой ступенью . ячейки/ проходит через реактор 5, ра ботающий при температуре выше 350°С (или 170-200°С)при покрытии нагревателя платиновой чернью, который одно временно служит катализатором}, дос-таточнай для быстрого и полного взаимодействия кислорода с водородом. Из реактора 5 газ поступает во вторую. ступень ячейки, в которой происходит электролиз воды, образовавшейся в .реакторе, под действием напряжения, приложенного к электродам 16. и 18 от источника 4 .напряжения. Ток электролиза Dg, при постоянном расходе газа пропорционален суммарной объемной доле водорода и кислорода, содержащейся в анализируемом газе и выделенной в него первой ступенью ячейки. Электрическое соединение источников 3 и 4 напряжений с электродами 5-7 . обеих ступеней ячейки и измерителей 12 и 13 тока позволяет измерять ток il TtOi-D-i I характеризующий объемные доли водорода и кислорода, содержащиеся в анализируемом газе. Из второй ступени ячейки газ поступает в твердоэлектролитную ячеЯку 9, работающую при 700°С. Чувствительный элемент выполнен, например, в виде пробирки из твердого электролита на оснрве двуокиси циркония. На стенки и донышки пробирки на расстоянии 50 dT донышка нанесены газонепроницаемые электроды из металла, не окисляющегося при рабочей температуре твердоэлектролитной ячейки. Рабочая температура поддерживается нагревателем. Внутрь чувствительного элемента подается анализируемый газ, снар.ужи чувствительный элемент смывается атмосферным воздухом. К электродам чувствительного э.лемента подключен источник 10 напряжения, задающий напряжение определенного з.начения, и измеритель 13 тока. Задаваемое, напряжение по численному значению и поляр-ности выбирается таким, чтобы припоступлении в твердоэлектролитную ячейку кислорода происходило его практически полное извлечение, а при поступлении в твердоэлектролитную ячейку водорода дозировалось эквиваЛентное количество кислорода. Отмечая что поступающий в твердоэлектролитную -ячейку .газ содержит только кислород или водород, так как один из. этих компонентов полностью переходит в воду/ то твердоэлектролитная ячейка работает либо в режиме кулонометрического и.звлечения кислорода, при этом будет протекать ток :) , либо в per жиме кулонометрического дозирования кислорода, при этом будет протекать ток 3 , Тогда объемн-ая доля кислорода в анализируемом газе определяется из соотношения г - / -1 n Оч 0 O. а объемная доля водорода будет равна . .о4), () ( , где . , Сц - объемные доли кисло- рода и водорода, Oai Hi электрохимические эк Биваленты кислорода и водорода; - расход .газа. Благодаря тому, что ток , протекает через оба измерителя 12 и 13 тока, а ток через твердоэлектролитную ячейку в полярности, соответствующей определению кислорода ( извлеение его из потока анализируемого газа), .протекает только, через измеитель 13 тока, и в полярности, .сответствующей определению водорода дозирование кислорода в поток анаизируемого газа), протекает только ерезизмеритель 12 тока, устройство позволяет определять раздельно токи Э и 17,2.

Устройство применительно к измерению объемной доли кислорода, воды в водороде либо к измерению объемной доли водорода, воды в кислороде работает следунхдим образом. Твердоэлектролитная ячейка 9 исключается . из работы (выключением источника 10 напряжения). Анализируемый водород (кислород)- поступает в первую с-тупень ячейки, в которой происходит электролиз воды, содержащейся в нем Объемная доля воды определяется по форглуле (1). Затем водород (кислород) проходит через реактор 5. Из реактора газ поступает во вторую ступень ячей-ки, в которой происходит электролиз воды, образовавшейся в реакторе .в результате взаимодействия примеси кислорода с содержащим ее водородом ( примеси водорода с содержащим ее кислородом и той части воды, которая образовалась в реакторе в результате взаимодействия примесей кислорода и водорода ранее выделенных в анализируемый газ первой ступенью ячейки при электролизе воды, содержащейся в анализируемом газе). С учетом разности тока )-, электролиза воды, измеренного, токоизме-.

Зрительным прибором 12 (13, между током электролиза воды второй ступени ячейки и током Л электролиза воды первой ступени ячейки Э объемная доля кислорода в водороде определяется по соотношению

объемная доля водорода в кислороде определяется по соотношению

с«..2,, « .

Предлагаемое устройство позволяет одновременно автоматически и непрерывно вести контроль за содержанием кислорода, водорода и воды в инертных газах и азоте в технологических линиях при получении, осуществлять контроль за чистотой готовой продукции в диапазоне объемных долей измеряемых KONmoHeHTOB от 1 -10 до 0,1% (воды от IlO до 0,1%), а также вести контроль за содержанием зоды, кислорода и водорода и воды, водорода в кислороде в криогенных технологических системах в диапазоне объёмных долей измеряемых компонентов от 1-10 до 0,1% с погрешностью не более t 1,5 отн.%. Постоянная времени не более О,5 мин.