Способ измерения термодинамической активности кислорода Советский патент 1979 года по МПК G01N27/46 

А - постоянная;

Е, - ЭДС первого ГКЭ;

EJ - ЭДС второго ГКЭ. Формула 2/справедлива для комбинированного датчика, состоящего из двух ГКЭ, причем твердый электролит с электродом сравнения второго ГЭК расположен в электроде сравнения первого ГКЭ, При погружении такого датчика в среду в первом ГКЭ возникает ЭДС

RT01х

Е. ----Еп--т-и-ГТэ)О)

Л п-Р а;,

а во втором ЭДС ГКЭ ЧТ 01

()

(4)

- активность кислорода во втором

где

эталоне;

Пд - доля электронной проводимости; Т - абсолютная температура С, остальные обозначения аналогичны формуле 2 . Беря отноше1ше формулы 3-, к формуле 4 получают исключение ряда параметров в том числе и температуры, т.е.

е« ах/ос;

Ij Е,

(5)

г оК

Недостатками способа являются: сложность датчика, его инерционность и большая динамическая ощибка при резких изменениях температуры измеряемой среды (формула 2 справедлива только при.прогреве датчика до одинаковой температуры по всему объему), сложность герметизащш контура среды в месте установки датчика вследствие его увеличивщегося сечения по сравнению с датчиком, имеющим один ГКЭ.

Целью юобретения является упрощение кон.струкции и повышение точности измерения.

Это достигается тем, что вместе с измерешем ЭДС на электродах твердого электролита измеряют его : ектронное сопротивление Я , соответствующее ему среднеквадратичное значение ЭДС теплового ё и вычисляют активность кислорода BX по формуле

do/E-r}-P4K&i-l 3

7- -- -г-гт™---| (6)

R-e2

1 п а

где ао - активность кислорода в эталоне;

Пд - доля электронной проводимости;

Е - ЭДС ГКЭ, В;

п - число переноса потенциалообразующего процесса;

F - постоянная Фарадея, к/г-экв;

R - уньтерсальная газовая постоянная, Дж град;

К - постоянная Больцмана ж/град;

Af - частотная полоса, Гц; R - электронное сопротивление твердого электролита, ом;

ё - среднеквадратичное значение теплевого шума, Ь,

Формула 6 для вьиисления неизвестной активности кислорода является следствием ос-, новного уравнения ГКЭ, по которому ЭДС на электродах твердого электролита равна

(1-Пз)

(7)

и уравнения Найквиста, определяющего среднеквадратичное- значение теплового шума, генерируемого электронной составляющей проводимости твердого электролита

i2 4KTAiR3 .(8)

Объединяя уравнения (8) и (7), получают уравнение (6). Твердый электролит ГКЭ имеет две составляющих проводимости: иоьпгую и электронную. Спектральная плотность шума, обусловле1шого ИО1ШОЙ составляющей, пропорциональна вел№шне (А - постоянная). Спектральная плотность шума, обусловленного электронной составляющей, является постоянной величиной, не зависящей от частоты. Поэтому выбирая полосу измерения Af в достаточно высокочастотной области, можно получить среднеквадратичное значение только теплового шума, обу€ловле шого электронной составляющей проводимости твердого электролита. Измерение электронного сопротивления R производят высокочастотным шособом в той же полосе частот Af, в которой определяют среднеквадратичное значение ё ,

На чертеже показана структурная схема прибора, с помощью которого осуществляют предложенный способ измерения активности кислорода.

Прибор содержит датчик 1 активности кислорода (ГКЭ), ключи 2 и 3, усилитель 4, блок 5 измерения Rg , блок 6 измерения мощности шума РШ - 4 KTAf, ш{алого-щ фровой преобразователь 7, запомгашющее устройство 8, вычислитеное устройство 9, цифровую индикадшо 10, устройство J1 управления.

Прибор работает следующим образом,

В положении i ключей 2 и 3 выходная ЭДС (Е) ГКЭ усиливается усилителем 4, преобразуется в нормированньп сигнал и поступает на вход преобразователя 7, на выходе которого получается Щ1фровой код, пропорщюнальньш величине Е, который запоминается в устройстве 6, Затем ключи 2 и.З переводятся в положение II и измеряется электронное сопротивление Rg блоком 5, на выходе которого вырабатьшается сигнал напряжения, пропорциональный величине R . Этот сигнал поступает на преобразователь 7, преобразуется в код и этот код запоминается в запоминающем устройстве 8. Затем ключи 2 и 3 переводятся в положение III и блок 6 измеряет мощность теплового luyivQ РШ в полосе частот Af. Сигнал напряжения на выходе блока 6, пропорциональный РШ, поступает на преобразователь, преобразуется в код и запоминается в устройстве 8. По команде от устройства 11 управления кодовая информация о величинах Е, Rg, РШ, а также коды величин аь, п , п, F, R, к, Af передаются в устройство 7, в котором вычисляется величина ах неизвестной активности кислорода. После зтого код, пропорциональный ах, вьщается на цифровую индикацию 8. Применение предложенного способа обеспечивает по сравнению с известными способами следующие . преимущества. Измерение термодинамической активности кислорода можно проводить только одним датчи,ком ГКЭ, которых выдает ЭДС, величина Е которой определяется выражением (7), и его электронное сопротивление генерирует тепловой щум, среднеквадратичное значение которого ё определяемая выражением (8), т.е. не требуется установки отдельного датчика температуры. Измерение термодинамической активности кислорода можно проводить датчиком, содержащим только один концентрационный элемент. Формула изобретения Способ измерения тер юдинамической активности кислорода с помощью концентрационного 6 7в гальванического элемента с твердым электролитом путем измерения ЭДС, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкщп датчика и повышения точности измерения, одновременно измеряют его злектронное сопротивление R , соответствующее ему среднеквадратичное значение ЭДС теплового шума ё и вычисляют активность кислорода ах по формуле Е-п-Р-4к.д. где ао - активность кислорода в эталоне; Пд - доля электронной проводимости; Е - ЭДС ГКЭ, В; п - число переноса потенциалообразуюего процесса; F - постоянная Фарадея, к/г-экв; R - универсальная газовая постоянная, ж/град; к - постоянная Больцмана Дж/град; Af - частотная полоса, гц; злектронное сопрот}шлеш1е твердоо электролита, ом; ё - среднеквадрат№ ное значенне теплоого шума, в. Источники информации, принятые во внимаие при экспертизе 1. Патент Великобритании № -1408377, кл. G 01 N 27/46, 1976. 2. Авторское свидетельство № 441595, л. G 01 N 27/46, 1973.