Способ измерения парциального давления кислорода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/417 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу,ии мо жет быть использовано для определе.- ния парциального давления кислорода при постоянном и изменяющемся давлении анализируемой среды.

Известен способ измерения парци - ального давления кислорода,, основанный на применении потенциометричес- кой КИСЛОРОДНОЙ f, . .тверлоэлектролит- ной ячейки, один из электродов которой сравнительный, омывается атмосферным воздухом, а другой - рабочий, контактирует с анализируемым газом, . Давление анализируемой среды по это- ;му способу поддерживается постоянным 1 и равным давлению сравнительной среды (атмосферному давлению), Аналити- . ческим сигналом при измерений служит ЭДС твердоэлектролитной ячейки занная с парциальными давлениями кисг .порода в сравнительной и анализируе- +ой средах формулой Нернста

RT . Р#г

E -PJ; (D

где E - ЭДС твердоэлектролитной ячейки;-R 7 газовая постоянная; F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса 1 моль кислоро- да; . Р0 ро соответственно парциальные 2 , давления кислородаtв анализируе юй и сравнительной среДах , ,

8 атмбсферном воздухе постоянна концентрация кислорода, поэтому для расчета его парциального давления необходимо измерение атмосферного давления, что существенно усложняет аппаратурное оформление при осуществ- лении способа и является его недостатком,

Известен также способ измерения парциального давления кислорода,при котором в качестве сравнительной ере- ды выбирается гетерогенная смесь (например, металл - оксид металла), парциальное давление которой зависит только от температуры.

Недостатками этого способа яаляют- ся нестабильность гетерогенной среды во времени, необходимость применения высоких рабочих температур (до ) для ускорения установления равновесного состояния в системе электрод сравнения - гетерогенная смесь.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, при котором в качестве сравнительной среды исполь- зуется чистый кислород, подаваемый в сравнительную камеру потенциометри- ческой твердоэлектролитной ячейки из кулонометрической твердоэлектролитной ячейки; причем обе камеры (рабо- чая и сравнительная) последовательно соединены между собой. Этим достигается равенство давлений сравнительной и анализируемой сред.

Существенным недостатком такого способа является сложность аппаратурного офррмления, т.к. для измерения парциального давления требуётс я измеритель общего давления анализируе

мой среды„ Другой недостаток способа

невысокая точность измерений, что свя- зано с наличием погрешности измерителя давления.

5

0

25

30

35

о 45

50

55

-

Цель изобретения - повышение точности Измерения и упрощение аппаратурного оформления.

Поставленная цель достигается тем, что для создания известного парциального давления кислорода в сравнительной камере подают на электроды ячейки постоянное напряжение в полярное- | ти: плюс на сравнительный электрод, выдерживают время, достаточное для заполнения сравнительной камеры кислородом, герметично закрывают-сравнительную камеру, изменяют полярность приложенного напряжения, выдерживают время, достаточное для полного извле- чения кислорода, одновременно измеряют количество электричества, протекшего через твердоэлектролитную ячейку, и в соответствии с законами Фа- радея и Менделеева-Клапейрона рассчитывают объем сравнительной камеры. После этого изменяют полярность приложенного напряжения, пропускают через ячейку количество электричества, необходимое для создания заданного парциального давления кислорода, и приступают к измерениям парциального давления кислорода в анализируемой среде.

Постоянное напряжение, прилагаемое к электродам, выбирают из диапазона 0,5-1,2 В. Время, достаточное для заполнения сравнительной камеры кислородом рассчитывают, исходя из объема сравнительной камеры и ее температуры, в соответствии с законами Фарадея и Менделеева-Клапейрона. Время, достаточное для полного извлечения кислорода, определяют по ЭДС на электродах при разомкнутой токовой цепи, которая должна быть не менее, чем на 100 мВ больше первоначальной. Время, достаточное для полного извлечения кислорода, определяют по току ячейки, не превышающему 0,00t начального тока.

На чертеже представлена схема YCTT ройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит потенциомет- рическуй твердоэлектролитную ячейку, выполненную в виде пробирки 3 из твердого кислородоионного электролита. На наружную и внутреннюю поверхности пробирки нанесены металлические электроды (5-рабочий и 6-сравнительный). К электродам через переключатель с положениями 11 и 12 подключены измеригель ЭДС 9 и источник тока 10. К тверлоэлектро литной пробирке 3 rep- j метично приварен капилляр 7, который используется для удобства герметизации. Объем капилляра пренебрежимо мал по сравнению с объемом сравнительной камеры 4, Капилляр 1 можно герметично закрывать крышкой 8. В рабочую камеру 2 твердоэлектролитной ячейки поступает анализируемый газ.

Рассмотрим работу устройства, розможные условия работы устройства

Способ осуществляется следующим образом.

При открытом капилляре, на электроды подается постоянное напряжение 5 (0,7 В) от источника 10 в полярности: плюс к внутреннему сравнительному электроду, при этом ток, протекающий через твердый электролит, был на уровне 1C мА. JQ После выдержки в течение 3 мин (при этом достигается примерно t0-кратная замена газа в сравнительной камере на кислород) можно считать, что достигнуто полное заполнение камеры чистым

температура от 600 до 900°С, прилага- 15 кислородом. После этого капилляр гер- емое напряжение от 0,5 до 1,2 Bt При экспериментах были выбраны следующие условия: температура 700°С; напряжение 0,7 Bj материал твердоэлектролитной пробирки и капилляра Zr Гй + МО моль% YI 0$; диаметр пробирки 0,5 см; длина CMJ диаметр капилляра см; длина 3 см; электроды из .платины.„

метично запирается, изменяют поляр ность приложенного напряжения и записывают значение тока на самописец с движущейся лентой, Запись ведут до

20 тех пор, пока ток не станет менее 0,001 от первоначального значения. При расчете по диаграммной ленте оказалось, что количество электричества равно 0,596 А-с, что дает следующий

6

j

Способ осуществляется следующим образом.

При открытом капилляре, на электроды подается постоянное напряжение 5 (0,7 В) от источника 10 в полярности: плюс к внутреннему сравнительному электроду, при этом ток, протекающий через твердый электролит, был на уровне 1C мА. JQ После выдержки в течение 3 мин (при этом достигается примерно t0-кратная замена газа в сравнительной камере на кислород) можно считать, что достигнуто полное заполнение камеры чистым

кислородом. После этого капилляр гер-

метично запирается, изменяют поляр ность приложенного напряжения и записывают значение тока на самописец с движущейся лентой, Запись ведут до

тех пор, пока ток не станет менее 0,001 от первоначального значения. При расчете по диаграммной ленте оказалось, что количество электричества равно 0,596 А-с, что дает следующий

объем сравнительной камеры:

Использование в аналитическом приборостроении для определения пар цйального давления кислорода при постоянном и изменяющемся давлений ана-, лизируемой средыо Сущность изобретения: способ измерения осуществляет ся с помощью потёнцйомётри ескбй кис«- лорб ДЬЙ бн1чой твердоэлектролитной ки, имеющей сравнительный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциальным давлением лорода, наШЗя{11уйс:я при постоянно температуре.. Для создания из§ёстного парциального давлёнйя ки слорода в сравнительной камере, электрохимически заполняют сравнительную камеру кислородом, герметично закрывают нительную камеру, изменяют полярность приложенного напряжения, выдерживают время, достаточное дли полного извлечения кислорода, измеряют количество электричества, проте шего через твердоэлектролитную ячейку и рассчи тывают объем сравнительной камеры,пос- ле чего изменяют полйЭйоёТБ г11рй лджён- ного напряжения, пропускают Зёреэ ячейку заданное количестso электри чества. 1 ил.

„ . р. . гЦЛ ЭД|:й«. ..,., с„з.

. I

Следующей операцией является соз- 30 ПРИ измерении парциального давления

в обогащенном кислородом воздухе при изменяющемся общем давлении, исходя из условия мявШизации погрешностей и неравенства ЭДС ячейки нулю, выбирание в герметично закрытой сравнительной камере заданного парциального давления кислорода, для чего изменяют полярность приложенного напряжения и пропускают через ячейку расчетное количество электричества Значение парциального давления кислброда в сравнительной камере выбирают в зависимости от того, какие задачи трубу- ется решать при измерениях. Например,

рают парциальное давление кислорода 35 в сравнительной камере на уровне 100 мм рт.ст. Тогда,количество электричества, которое следует пропустить через твердый электролит, составит

40

I-t

Paito-v-To 10С4-9б5П ЬС4128-.73 1б п- пй1о « ,.

- .-.ir-jx- ---.. - .и w« 7 - п Мл г А С.

VO-T-PO 22,5 los-973,t5-76o и.иою я с.

Таким образом, в сравнительной камере создано известное парциальное давление кислорода и можно приступать к измерениям парциального давления кислорода в анализируемой среде, как обычно с помощью потенциометрической двердоэлёктролитной ячейки. Для эт.о- tro анализируемый газ подают к рабоче-„ электроду (или ячейку погружают в анализируемый гёз), измеряют ЗДС ячей-, ки, которая связана с парциальными давлениями кислорода в анализируемой и сравнительной средах формулой Нерн-с ста

RT л §ч

Е

тг

In

рают парциальное давление кислорода в сравнительной камере на уровне 100 мм рт.ст. Тогда,количество электричества, которое следует пропустить через твердый электролит, составит

где R - газовая постоянная; Рк- парциальное давление кислорода в анализируемой среде. Из формулы Нернста следует

4FE

RT

.izp( «г)

.Граничные значения параметров работы, приведенные по Формуле изобретения, определены опытным путем, исходя из условия сохранения погрешности не более ±2 отнД. Оказалось, что при поддержании на электродах ячейки в пределах 0,5-t В, отличии ЭДС ячейки от первоначальной при извлечении кислорода не менее 100 мВ и токе ячейки при извлечении кислорода менее

0,001 от первоначального, погрешность .измерения не превышала ±2 отн..При не соблюдении указанных условий пог- рещность возрастала. Во всех экспериментах для оценки действительного знамения парциального давления кислорода в анализируемой среде использовали проверочные газовые смеси и измерители давления типа САПЛИР. Относительная погрешность измерения в этих случаях была в пределах ±0,5-±1%«

Использование предлагаемого способа измерения парциального давления кислорода обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: повышение точности измерения вследст- вие повышения точности создания и под- держания заданного парциальнд го Ја влемерении ЭДС кислородоионной твердо- электролитной ячейки, имеющей сравни« тельный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциаль- ным давлением кислорода, отлича щийся тем, что, с целью повышения точности измерений, используют герметичную камеру сравнения, а перед на10 чалом измерений на ячейку подают напряжение 0,5-1,2 электрохимически извлекают кислород из сравнительной камеры, причем о полноте извлечения кислорода судят по падению тока через

15 ячейку не менее чем 0,001 начального ,тока или по значению ЭДС на электроды при размыкании цепи, которое должно быть не менее чем на 100 мВ выше первоначального, затем изменяют поляр

держзния заданного псзуцис1доп -м « аолс ii&po iu-.u...i-... - - - ,ния кислорода в сцавнительной среде, уп- 20 ность приложенного напряжения и про... .., л ... ,,nwAw t/vr попач aufMUV КГУПИЧвСТВО ЭЛ6К1

рощение аппаратурного оформлений,.т.к. при измерениях не требуются дополнитель ные приборы для измерения общего давления./ Фррмула изобретения

Способ измерения паоциального да в- ления кислорода, заключающийся в из2, /.

25

пускают через ячейку количество элекг тричества, необходимое для создания заданного парциального давления кислорода в сравнительной камере.

ИМ.

Q

8

мерении ЭДС кислородоионной твердо- электролитной ячейки, имеющей сравни« тельный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциаль- ным давлением кислорода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, используют герметичную камеру сравнения, а перед началом измерений на ячейку подают напряжение 0,5-1,2 электрохимически извлекают кислород из сравнительной камеры, причем о полноте извлечения , кислорода судят по падению тока через

ячейку не менее чем 0,001 начального ,тока или по значению ЭДС на электроды при размыкании цепи, которое должно быть не менее чем на 100 мВ выше первоначального, затем изменяют полярii&po iu-.u...i-... - - - ность приложенного напряжения и проность приложенного напряжения и проnwAw t/vr попач aufMUV КГУПИЧвСТВО ЭЛ6К1

пускают через ячейку количество элекг тричества, необходимое для создания заданного парциального давления кислорода в сравнительной камере.

ИМ.

ил,