Устройство для измерения концентрации кислорода Советский патент 1984 года по МПК G01N27/46 

11 Изобретение относится к газовому , а именно к измерению концентрации кислорода в газовых средах с помощью электрохимических газоанализаторов. Известно устройство для измерения концентрации кислорода в газах, содержащее твердый электролит и измерительный и эталонный электроды р Д. Однако известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения, сложностью реализации при измерении состава газа твердоэлектролитными ячейками. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации .кислорода, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные, электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей, а выход первого усилителя подключен к первому входу cyiviMaTopa и первому входу преобразователя, с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора 121. Недостаток данного устройства обусловлен зависимостью в реальных условиях точности изме зения концентра ции кислорода от степени различия величин перепадов температур на злект родах ячеек, различия кислородной проницаемости и поляризации ячеек вследствие различных парциальных давлений кислорода в газовой фазе электродов сравнения и других факторов, приводящих к изменению величины ЭДС ячеек не в соответствии с уравнением Нернста во всем диапазоне измеряемых концентраций кислорода. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что -в устройстве для измерения концентрации кислорода, содержащем твер доэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположе ны металлические эталонные электроды а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен изме рительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей, выход первого усилителя подключен к первым входам сумматора и первому 12 входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу блока вычисления коэффициента коррекции,. а выход соединен с вторым входом сумматора. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения концентрации кислорода. Устройство содержит твердоэлект- . ролитную ячейку 1, состоящую из двух камер 2 и 3, внутри которых располож ы металлические эталонные электроды 4 и 5 и на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод 6. Измерительный электрод 6 и эталонный металлический электрод 4 соединены с входами усилителя 7, и измерительный электрод 5 соединены с входами усилителя 8, выход усилителя 7 подключен к первому входу сумматора 9, входу блока 10 вычисления произведения коэффициента коррекции и входу преобразователя 11, выход усилителя 8 подключен к входу блока 10 вычисления коэффи1 иента коррекции и входу вычислителя 12 произведения, выход которого подключен к входу сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к входу преобразователя 11, а выход блока 10 коэффициента коррекции подключен к входу вычислителя 12 произведения. Устройство работает следующим образом. Твердоэлектролитная ячейка 1 перемещается в анализируемую среду с парциальным давлением кислорода Р. двух герметично отделенных друг от друга камерах 2 и 3 поддерживается парциальное давление кислорода соответственно Р, Внутри этих камер расположены металлические электроды Аи 5, а снаружи - общий измерительный электрод 6. На базе твердоэлектролитной ячейки 1 сформированы две гальваничсгкие ячейки с 31 измерительным электродом 6 и различ ными электродами 4 и 5 сравнения. ЭДС Е и Erj, обеих гальванических ячеек после усиления в усилителях 7 и 8 поступает соответственно с вы хода усилителя 7 на сумматор 9, бло 10 вычисления коэффициента коррекци К и преобразователь 11, ас выхода усилителя 8 - на блок 10 вычисления коэффициента коррекции К и вычислитель произведения К- 2., сигнал с вы хода которого подается на сумматор 9, который производит алгебраическо суммирование Е и К/Е. В преобразо вателе 11 осуществляется основная операция по определению сигнала, не посредственно характеризующего парциальное давление кислорода в анализируемом газе. и 2i - 4 Шусть PJi Рог Согласно закону Пернста выражени для ЭДС Е каждой ячейки: РТ Р Б. i Р -t. НТ Р« гг где ti ионное число переноса для данного материала электролита;f - постоянная Фарадея; R. - газовая постоянная; Т - температура среды в зоне расположения измерительног электрода; Pgj. - парциальное давление 02 анализируемой среды; 01 парциальное давление 0 электродов сравнения. Решая совместно уравнения (1) и (2) относительно Р, , получаем выра и фун жение для определения ции Е и Е 1 Роа-1 -А- г к.еиРо;, ,(). Решая уравнения (1) и (2) относи тельно Т, получаем вьфажениа для оп ределения Т и функции EI и Ец .T fei-Ea)-l , С (л POZ Таким образом, по формуле (4), зная значения Е каждой ячейки,можно определить температуру в зоне измерительного электрода при каж-/ дом измерении парциального, давления. Известно, что эффект влияния на точность измерения парциального давления 0 различных факторов заключается п изменении величины ЭДС каждой ячейки относительно расчетной по Уравнению Нернста при данном парциальном давлении 0 в анализируемой среде, а значит, и соответствующем изменении температуры Т, вычисленной по формуле (4). При этом, если зафиксировать некоторое начальное значение температуры в зоне измерительного электрода ячеек TU, при которой расчетное по формуле (3) значение парциального давления Oj соответствует фактическому в анализируемой среде то разность температур лТ Т - Тр при постоянной во времени температуре измерительного электрода будет характеризовать суммарную величину погрешности измерения, вносимую различием перепадов температур на электродах ячеек, различием проницаемости, поляризации и других факторов, приводящих к изменению величины ЭДС обеих ячеек не в соответствии с уравнением Нернста. В связи с тем, что зависимость ЭДС ячеек от температуры Т линейна, величину приращения ЭДС первой ячейки EV относительно ЭДС второй ямайки Е2 от разности температур дТ Т - TO можно охарактеризовать некоторым коэффициентом коррекции К. Тогда выражение для ЭДС Е может быть записано в виде E.vce,,..t, (5) где - ЭДС ячейки при данном парциальном давлении кислорода в анализируемой среде Р и температуре в зоне измерительного электрода То. Отсюда, если известно значение коэффициента коррекции К при данном РО то можно откорректировать ЭДС Е так, что ее приращение за счет изменения температуры в зоне измерительного электрода, рассчитанной по формуле (4), на Т будет скомпенсировано. По формуле (5) находим выражение для коэффициента коррекции К ,,(.t- . . .т

5

Коэффициент коррекгдаи может быть также найден по отношению величины лЕ Е - ЕЗ при каждом измерении парциального давления к величине А Ер ( - Еп)д соответственно начальной температуре Те.

Действительно, раскрывая Т и Т по формуле (4) получаем для коэффициента коррекции Квыражение

(

(7)

CE,

При этом скорректированное значение ЭДС ячейки, используемое для определения парциального давления 0 в анализируемой среде, по формуле (3) будет равно

.d..E.

-ло

а формула (3) принимает вид PoJ.K, ,,

или после упрощений

«--в% -.

(8)

Таким образом, на выходе преоб- , раэователя 11, осуществляющего при заданных значениях К и найденном К вычисление по формуле (8), получают сигнал In Р, не зависящий от различия перепадов температур на электродах ячеек, проницаемости и поляризации их и других факторов, приводящих к изменению ЭДС ячеек не в соответствии с уравнением Нернста.

Пример применения предлагаемого устройства.

Выберем в качестве газов сравнения чистый -кислород с Рд2 10 Па

10916

и воздух с 0,21- 10 Па, парциальное давление С в анализируемом газе с Ро2 101,308 Па, температуру в зоне измерительного электрода Тр 5 1093 К, При этом коэффициенты KjjKj будут равны:

К, 5; К-г. 0,6792; К5 О.,03369, а ЭДС кислородной Е и воздушной Ег ячеек - соответственно 0 162,3mV и 125,6vnV .

Предположим, что температура в зоне измерительного электрода кислородной ячейки относительно воздушной ячейки, определяемая по фор5 муле (4), в результате воздействия неизотермичности, кислородной проницаемости и поляризации изменилась на дТ +10 Тогда измеряемая ЭДС E/J будет равна 163,8mV . При этсж 0 расчет величины парциального давления кислорода по формуле (3) дает значение 122,5 Па, а относительная погрешность измерения составит cf 20,9%.

Определяем по формуле (6) значение коэффициента коррекции -К

1103

Т

1,009.

К Т093

0

Расчет величины парциального давления кислорода по формуле (8) дает значение Р Па, а относительная погрешность измерения при этом составит сГ 0,84Z.

Таким образом, введение коррекции измеренного значения ЭДС воздушной ячейки значительно снижает погрешность измерения парциального давлени кислорода в анализируемой среде.

5 3 f z 11 /

3-.3-3-ir

Y///////////////

Ф i

KS

I

L

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящзпо из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей, выход первогЬ усилителя под ключей к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения,у первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу (Л блока вычисления коэффициента коррек-i ции, а выход соединен с вторым входом сумматора.

12

//

U I A/