Способ определения содержания посторонних примесей в благородных и индиферентных газах Советский патент 1937 года по МПК G01N27/18 G01N27/68 

Современная техника в быстро возрастающем масштабе применяет благородные и индиферентные газы (flr, Не, Ne, MS), причем в одних случаях используется их химическая индиферентность (flr и No в электроламповом деле), в других-выгодные оптические и электроразрядные характеристики (неоновые лампы), в третьих (Не)-соединение химической индиферентности с малым удельным весом. В большинстве случаев при этом существенно возможно более полное освобождение указанных газов от всех посторонних активных примесей или от определенных примесей (Og, HgO). Нередко именно здесь предъявляются особенно высокие требования к чистоте. Это вызывает необходимость в достаточно удобных и надежных методах контроля над чистотой таких газов в смысле содержания в них определенных примесей.

Обычные химические способы в применении к этому случаю часто оказываются затруднительными. Так например, химическое определение содержания азота в аргоне и неоне кропотливо и не дает прямых путей к автоматизации контроля. Кроме того, эти методы мало приспособлены

для определения примесей, содержащихся в малых количествах.

Спектроскопические способы, при их высокой объективности и надежности, в количественной форме сложны и вряд ли могут быть рекомендованы для данной цели.

В связи с этим предлагается электрический способ определения содержания неблагородных примесей в благородных и индиферентных газах, обладающий рядом существенных преимуществ. Способ этот основан на результатах исследовательских работ авторов по изучению рекомбинации атомов, в которых открыт ряд новых, ранее неизвестных, эффектов, как-то: существование положительного коэфициента рекомбинации атомов О и Н, селективность рекомбинации атомов азота, существование эффекта рекомбинации в продуктах разложения водяного пара в электрическом разряде.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что исследуемый газ пропускают для расщепления молекул примесей через зону электрического разряда, после чего приводят в соприкосновение с поверхностью нагреваемой электрическим током металлическои проволоки, по изменению -сопротивления которой, вследствие дополнительного нагревания выделяющимся при рекомбинации молекул теплом, определяют содержание исследуемой примеси в газе.

Предлагаемый способ определения примесей в благородных и индиферентных газах заключается в следующем. Струя исследуемого газа проходит через электрический разряд, после прохождения которого входит в соприкосновение с металлической проволочкой, накаливаемой электрическим током.

В благородном газе имеют место нормальные тепловые потери (лучеиспускание, теплопроводность), и прохождение газа через разряд не меняет температурного режима проволочки.

В газе, содержащем сложные молекулы, могут иметь место три случая:

1)при активной поверхности металла (чистая Pt, Pd и т. д.) после пропускания газа через разряд, наступает дополнительный разогрев проволоки за счет теплоты рекомбинации свободных атомов и радикалов, причем в определенной области температур полученное проволочкой дополнительно.е тепло прямо пропорционально концентрации атомов, которая при стандартных условиях разряда, скорости струи, давления и т. д. дает меру концентрации посторонних молекул;

2)при неактивной поверхности металла (Та для Hj, W для N и т. д.) наличие посторонних молекул оказывает некоторое очень слабое воздействие в обратную (согласно п. 1) сторону из-за повышения теплопроводности газа при появлении в нем атомов. Этот эффект составляет от наблюдаемого, в случае активной поверхности, положительного эффекта;

3)вследствие специфичности процесса рекомбинации, в отдельных случаях (Ng + Но, Мг + Оз) возможно, подбирая проволоку, активную для одного газа и неактивную для второго, раздельно определять содержание отдельных примесей к благородному газу.

На базе этого общего принципа возможен целый ряд частных вариантов. Например:

1.При определении появления малых количеств примеси в благородном газе следует работать с Pt, обладающей активностью по отнощению к На, Og, НзО и Мз. Проволочка включается в схему моста Уитстона, в котором компенсирующим плечом является точно такая же проволочка, находящаяся в аналогичном пространстве и омываемая струей того же газа, прошедщего аналогичный по сопротивлению путь, но не заключающий разрядного пространства.

Наличие этого компенсатора позволяет сглаживать колебания давления и скорости струи, могущие сказываться на концентрации атомов. До начала измерения обе проволочки накаливают до 700, гальванометр, включенный в диагональ моста, устанавливают на нуль. Отклонение его от нуля после включения разряда указывает на наличие примеси. При малом проценте примеси можно считать, что это отклонение линейно зависит от количества примеси. Прокалибровав один раз (с помощью газового анализа) соотнощение между количеством примеси и отклонением прибора от нуля и соблюдая неизменными условия разряда (напряжение, емкость, давление, струя, электроды), получаем количественный метод определения примесей. Точность его равна 10% определяемой величины.

2.При определении примесей водорода, кислорода и HgO в присутствии азота индикатором должна служить вольфрамовая проволочка, на которой рекомбинируют атомы Н и О, но не рекомбинируют атомы М. Поступая аналогично описанному в п. 1, получим сумму Н2, Og, Н2О.

3.Если важна только определенная степень чистоты благородного газа, то можно отметить при стандартных условиях разряда и струи отклонение гальванометра в диагонали моста от нуля при максимальном допустимом проценте примеси, пользуясь платиновой проволочкой. Отклонение, не превыщающее этого предельного, обеспечит требуемую чистоту газа.

4. Для особо точных измерений можно держать гальванометр в диагонали моста постоянно на нуле, изменяя ток накала через проволочку при пропускании разряда. Величина R (), где/ - сопротивление проволоки, /1 - ток накала без разряда, /2 - ток накала при разряде, служит мерой количества примеси.

Необходимо отметить важность установления стандартных условий разряда, тип разрядной трубки, ток, емкость, напряжение, скорость струи (регулируется по реометру), материал электродов (рекомендуется алюминий) и форму их.

Измерения ведутся при пониженном давлении (0,5-1,0 жж Hg), которое легко поддерживать в струе газа с помощью масляного насоса любого типа (например, завода „Электросила) и регулирующего вентильного крана или капилляра.

Опыты, подтверждающие приведенные данные, велись в струе соответствующего Газа, протягиваемой масляным насосом через разрядное пространство и затем приходящей в соприкосновение с проволокой. Разряд был так называемый конденсированный, напряжение-20000 вольт, емкость-0,03 P.F. Проволочки (как платиновые, так и вольфрамовые) были диаметром 0,05 мм и длиною 5 см.

Давление в приборе с помощью краиа с капилляром поддерживалось 0,3-0,4 мм Hg.

При включении разряда, в случае активных поверхностей, наблюдается отброс гальванометра.

Для возвращения его при разряде в нулевое положение приходилось уменьщать ток накала / до значения

.

1.При опыте в чистом водороде на платине платина накаливалась током /1 405 тА до 1000°.

При включении разряда наблюдался отброс гальванометра на 15 делений. Чтобы вернуть его на нуль, ток накала прищлось уменьшать до /2 300 mft.

2.При опыте в чистом водороде на вольфраме вольфрамовая проволока накаливалась до 900° током /1 300 mft. При включении разряда

наблюдался отброс гальванометра. Для возвращения его на нуль надо уменьшить ток /i до /2 2©0 тД.

3.При опыте в чистом кислороде на платине проволока накаливалась током /1 300 тЯ до 900°.

При включении разряда имел место отброс гальвано :етра. Для возвращения его к нулю ток /j надо было уменьшить до /о 205 шА.

4.При опыте в чистом азоте на платине платина накаливалась током /1 225 тЯ до 850

При включении разряда наблюдался отброс гальванометра на 25 делений. Для возвращения его к нулю ток /1 надо уменьшить до /2 65 шА.

5.При опыте в чистом азоте на вольфраме вольфрам накаливался током /1 250 тА до 800.

При включении разряда гальванометр отклонялся на 0,1 деления в обратную сторону.

6.При опыте в водяном паре на платине упругость пара, равная 0,5 мм Hg, поддерживалась постоянной.

Платина накаливалась током шА до 800.

При включении разряда наблюдался резкий отброс гальванометра. Для возвращения его на нуль надо было уменьшить ток Д до /., 270 ппА.

7.При опыте в чистом кислороде на палладии палладий накаливался током /1 300 тА до 750.

При включении разряда наблюдался отброс гальванометра на 15 делений. Для возвращения его к нулю TOK/I приходилось уменьшать до 4 210 шА.

8.При опыте в чистом аргоне на платине платина накаливалась током ,ЗА до 800°. При включении разряда гальванометр оставался на нуле.

9.При опыте в смеси 95% арго-на-|-5% азота на платине платина накаливалась током 0,3 А до 800°. При включении разряда наблюдался

.отброс гальванометра на 10 делений.

10.При опыте в смеси 80% аргона-)-20% воздуха платина накаливалась током /1 260 тА до 800°. При включении разряда наблюдался отброс гальванометра, и для возвращения его к нулю ток /i надо было уменьшить до /2 200 гпА.

Предмет изобретения.

1.Способ определения содержания посторонних примесей в благородных и индиферентных газах, отличающийся тем, что исследуемый газ пропускают, для расщепления молекул примесей, через зону электрического разряда, после чего приводят в соприкосновение с поверхностью нагреваемой электрическим током металлической проволоки или тому подобного тела, по изменению сопротивления которой, вследствие дополнительного нагревания выделяющимся при рекомбинации молекул теплом, определяют содержание исследуемой примеси в газе.

2.Прием выполнения способа по п. 1, отличающийся тем, что, с целью

определения в исследуемом газе содержания нескольких примесей из всех имеющихся или отдельных примесей, применяют проволоки или тому подобные тела из металлов, обладающих избирательным действием на процесс рекомбинации молекул отдельных газов, например, Pt, W, Та и т. п.

3. Для осуществления способа по пп. 1 и 2 применение устройства, выполненного в виде моста Уитстона, в одно плечо которого включена проволока, омываемая прошедщим через зону электрического разряда газом, а во второе-компенсационная проволока, омываемая газом, не подвергнутым действию электрического разряда.