Способ определения кислорода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/18 

Изобретение относится к аналитической технике, а именно к способам селективного анализа, и может быть использовано при разработке газоанализаторов, предназначенных для селективного анализа кислорода в инертной среде.

Известен электрохимический способ измерения концентрации кислорода, заключающийся в пропускании анализируемой смеси через твердые электролиты, электропроводность которых обусловлена переносом ионов. Электрохимические ячейки с твердыми электролитами используют в двух режимах: по- тенциометрическом и кулонометрическом. В потенциометрическом режиме ЭДС возникает непосредственно в области границ трех фаз электрод - твердый электролит - газовая фаза. Причем ЭДС не зависит от того, какой электропроводящий материал применяют в качестве электрода (плотный и порошкообразный), так как для образования потенциала растворение компонентов газа в электродном слое не является необходимым.

Электродвижущую силу твердоэлектро- литной ячейки в потенциометрическом режиме определяют как разность двух электродных потенциалов: потенциала рабочего электрода (электрода, реагирующего на опре-. деляемый компонент пробы анализируемой газовой смеси) и электрода сравнения. В твердоэлектролитных ячейках, работающих в кулонометрическом режиме, эти недостатки отсутствуют. Под напряжением ионы кислорода переносятся через электролит к внешнему электроду, на котором ионы, отдавая электроны во внешнюю цепь, рекомбинируют до молекулярного кислорода, отходящего в окружающую атмосферу. Таким образом, во внешней цепи электрохимической ячейки возникает электрический ток. Преимуществами этих ячеек является широкий диапазон измерений, малая инерционность, возможность расчета градуировочной характеристики, простота аппаратурного оформления Твердые электролиты обладают устойчивостью к механическим воздействиям, работоспособностью в широком интервале температур, имеют большой срок службы.

Недостатками этого способа являются необходимость иметь сравнительную газоЁ

2

Ю

М О

о

вую смесь и с высокой точностью поддерживать заданную темпера гуру в рабочей зоне, трудность обеспечения хорошей адгезии электронов к твердому электролиту в течение длительного времени работы при высоких температурах.

Наиболее близким по техническим свойствам и достигаемому эффекту является способ анализа кислорода в инертной среде, заключающийся в измерении теплопроводности между нагретой нитью и холодной стенкой датчика. Определение состава газовых смесей термокондуктомет- рическим методом сводится к измерению теплового потока при заданном распределении температуры или к определению тем- пературы в гой или иной точке (на поверхности) исследуемого объема при заданном значении теплового потока.

Недостатками известного способа являются отсутствие избирательности, опсе- деление концентрации кислорода ограничивается кислородоводородной и ге- лиевокислородной смесями, способ непригоден для определения концентрации молекулярного кислорода в присутствии азота, на показания прибора влияют температуре и давление как окружающей среды, так и анализируемой газовой смеси, а также влажность анализируемой газовой смеси.

Целью изобретения является обеспечение селективного определения кислорода в широком диапазоне концентраций.

Согласно способу определения кислорода в инертной среде, заключающемуся в пропускании анализируемой среды над поверхностью нагретого терморезистивного чувствительного элемента и измерении с помощью мостовой схемы его сопротивления, но изменению величины которого судят о концентрации кислорода, в качестве терморезистора используют терморезистор из вольфрама, покрытый слоем гексаборида лантана, который нагревают до 1400-1700 К,

При 1400-1700 К имеет место большее испарение молекул гексаборида лантана в присутствии молекул кислорода, при этом за счет сублимации гексаборида лантана его температура уменьшается, Уменьшение температуры гексаборида лантана приводит к изменению температуры терморезистора, выполненного в виде нагретой пяти, в результате изменяется его сопротивление. Если такой терморезистор установлен в электрический измерительный мост, то, в конечном итоге испарение гексаборида лантана преобразуется в электрический сигнал. Поскольку при прочих равных условиях количество сублимирующего гексабооида лантана пропорционально парциальному

давлению кислорода над его поверхностью, то электрический сигнал пропорционален концентрации кислорода. Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять концентрацию кислорода в инертной

среде в широком диапазоне концентраций.

Как показали результаты исследований,

ранее не использовали терморезистор, покрьпый слоем гексаборида лантана, и не

нагревали его до 1400-1700 К. Способ реализован и проведен на макете датчика, представляющего собой измерительный мост, одним из плеч которого является вольфрамовая нить, покрытая гексаборидом

, Сопротивление вольфрамовой нити змеряют при комнатной температуре, а те лпературу 1400-1700 К устанавливают с помощью тока моста. Значение температуры рассчитывают по формуле, описывающей зависимость сопротивления металлов от температуры

R(T) R(T0)1+« (T-To) +/3 (Т-То)2,

где R(T) - сопротивление при температуре Т, .измеряемое методом амперметр-вольтметр, RCTHJ/I;

R(T0) - сопротивление при температуре Т0 (То - температура при 0°С); ее-температурный коэффициент сопротивления;

/ - степенной температурный коэффициент сопротивления:

Начальное сопротивление вольфрамо- вой нити при комнатной температуре составляет 20 Ом (используют чувствительный элемент детектора теплопроводности).

Проводят анализ смеси азот-кислород в концентрации 0,1-10 об.%. Предел обнару- жения кислорода составляет величину об.%. Сигнал пропорционален в диапазоне концентраций кислорода - 7,5 об.% Для проверки селективности способа в смесь кислород - азот добавляют поток ге- лия, чувствительность к кислороду в этой смеси практически не изменяется.

Результаты экспериментов показали, что способ работоспособен и позволяет селективно измерять кислород в инертной среде в широком диапазоне концентраций. При внедрении предлагаемого способа в аналитическую практику экономический эффект получают за счет улучшения селективности и расширения диапазона концен- траций измерения кислорода в инертной среде.

Формула изобретения Способ определения кислорода в инертной среде, заключающийся в пропускании

анализируемой среды над поверхностьютем, что, с целью расширения диапазона

нагретого терморезистивного чувствитель-определения, в качестве терморезистора

ного элемента и измерении с помощью мо-используют терморезистор из вольфрама,

стовой схемы его сопротивления, попокрытый слоем гексаборида лантана, коизменению величины которого судят о кон-5 торый нагревают до температуры от 1400

центрации кислорода, отличающийсядо 1700 К.

Использование: аналитическая техника при разработке газоанализаторов. Сущность изобретения: кислород в инертной среде определяют с помощью терморезистора из вольфрама. Терморезистор, покрытый слоем гексаборида лантана, нагревают 1400-1700 К