Устройство для анализа состава газа Советский патент 1982 года по МПК G01N27/46 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газовом анализе, в частности для определения концентрации кислорода в инертных газах и азоте при изменяницемся в широком интервале давления (как при атмосферном давлении, так и при разрежении). Известны устройства для определения сост ва разреженного газа - масс-спектрометрические и твердозлектролнтные газоанализаторы 1. Датчик масс-спектрометра состоит из трех узлов: источника ионов, анализатора и приемника ионов (коллектора). Анализируемый газ ионизируется и образовавшиеся положительные ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы иона к его заряду, и затем поступают на коллектор и дают в его цепи ток, пропорциональный парциальному давлению. Масс-спектрометру присущи следующие недостатки. Во-первых, для его работы необходимо создан глубокого вакзома (не менее 10 мм рт. ст.). что не .позволяет помешать датчик массспектрометра непосредственно в анализируемую среду, .находящуюся под большим давлением. Во-вторых, невелика точность измерения, которая еще более снижается изза необходимости отбора проб. В-третьих, массспектрометр имеет сложное аппаратурное оформление и требует высококвалифицированного обслуживания. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для анализа состава газа, содержащее установленные в анализируемой среде потенщюметрическую измерительную и дополнительную твердозлектролитные ячейки, В1.1полненные каждая в виде обогреваемой емкости, разделенной на катодное и анодное пространства твёрдым злектролитом, причем анодное пространство измерительной ячейки соединено с анализируемой средой, а катодное - с анодным пространством, дополнительной ячейки, снабженной источником тока для полной перекачки определяемого компонег1та 2.

39

Это устройство имеет следующие существенные недостатки. Погрешность измерения велика из-за того, что в нем не предусмотрена компенсация погрешностей, вызваннь1х явлениями перепада давления и противодиффузии.

Кроме того, известное устройство не пригодно для работы при меняющемся в широких пределах давления из-за попадания анализируемого газа в катодное пространство измерительной ячейки, а также оно име-. ет сложное аппаратурное оформление, при применении его при давлении ниже атмосферного необходим побудитель расхода газа.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для анализа состава газа, содер-, жащее потенциометрическую измерительную и дополнительную твердозлектролитные ячейки, установленные в анализируемой среде и выполненные каждая в виде обогреваемой емкости, разделенной на катодное и анодное пространства твердым электролитом причем анодное пространство измерительной ячейки соединено с анализируемой средой, а катодное - с анодным пространством дополнительной ячейки, снабженной источником тока для полной перекачки определяемого компонента, снабжено регулятором массового расхода газа по давлению, соединенным с катодаым пространством дополнительной ячейки и выполненным в виде установленной вертикально в анализируемой среде обогреваемой емкости, открытой снизу и ограниченной сверху пневматич ким сопротивлением, а катодное гфостранство измерительной ячейки соединено трубопроводом с анализируемой средой.

На чертеже представлено устройство, позволяющее определить состав газа при меняющемся в широких пределах давлении.

Регулятор массового расхода газа по давлению, состоящий из вертикально установленной емкости 1, расположенной в нагревателе 2 и ограниченный сверху пневматическим сопротивлением 3, сообщается с катодаым пррстранством 4 дополнительной твердозлектролитной ячейки 5 трубопроводом 6. Емкость 1 открыта сннзу и контактирует с анализируемой средой. К злектродам 7 и 8 дополнительной твердоэлектролитной ячейки 5 п исоединен источник 9 постоянного тока со стабилизированным, напряжением. Твердоэлектролитная мембрана 10 разделяет дополни ельиую твердоэлектролитную ячейку 5 на катодное 4 и анодное 11 пространства. Нагреватель 12 является составной частью дополнительной твердоэлектролитной ячейки

984

5. Анодное пространство. 11 дополнительиой твердоэлектролитной ячейки 5 сообщается с катодным пространством 13 измерительной потенпиометрической твердоэлектролитной $ ячейки 14 трубопроводом 15. Твердоэлектролитная мембраиа 16 разделяет измерительную потенциометрическую твердозлектролитную ячейку 14 на катодное 17 и анодное 18 пространства. Катодное пространство 17 из10 мерительной потенциометрической твердоэлектролитной ячейки г14 сообщается трубопроводом 19 с анализируемой средой. К электродам 20 и 21 измерительной потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 14 при15 соединен измеритель ЗДС- Нагреватель 12 является составной частью Измерительной потенциометриадской твердоэлектролитной ячейки 14. Анодаое пространство 18 измерительной потешо ометрт ческ6й твердоэлектролитной

20 ячейки 14 контактирует с анализируемой средой.

На чертеже изображено предлагаемое устрЫ ство.

Устройство работает следующим образом.

5 ЭДС измерительной потенпиометрической твердоэлектролитной ячейки 14 выражается уравнением Нернстас. iLpv, iSa

- V,t: РЬ

(1).

где R - газовая постоянная,

Т - температура измерительной потенциометрической твердоэлектролитной ячейки; 5 п - число зарядов в ионизированной

молекуле кислорода; F - число Фарадея; PQ- - пар1щаш ное давление кислорода в „ анализируемой среде; PQ.; - парциальное давление кислорода в

катодном пространстве 17. Парциальные давления кислорода Ро2 и Ро2. можно выразить через ионные давления и объемные концентрации

(2)

о .

.и roi-r С,(3)

Ог

где Р - давление анализируемой среды, которое практически равно давлению Р в катодном пространстве 17, так как оно соедашено с анализиf руемой средой трубопроводом 19; 02. коицентрацня кислорода в анализиI, руемой среде;

Соа - концентрация кислорода в като дном пространстве измерительной потенциометрической ячейки 14. Представив значения и Р. з выражения (2) и (3) в выражение (1) получимЯТСр V Ог Под действием приложенного к электродам 7 и 8 дополнительной твердоэлектролитной ячейки 5 напряжения источника 9 тока через дополнительную твердозлектролнтную ячейку, 5 переносятся, ионы кислорода, которые разряжаясь, выделяются в анодном пространстве дополнительной твердозлек ролитной ячейки 5 в виде газа, перетекающего в катодное пространство 17 потенциометрической ячейки 14. В катодном простра стве 1 создается концентрация кислорода, в объемных долях равная практически единице Тогда выражение (4) примет вид -тгК ЕЬыражение (S) является градуировочной характеристикой устройства. Основные составляющие погрешности измерения обусловлены следующим. Поскольку количественно составы газа в катодном пространстве 17 и анализируемого газа не равнь между собой, то в трубопроводе 19 име&т место взаимная диффузия компоиентов анализируемого газа и газа в катод ном пространстве 17, что приведет к изменению концентрации кислорода в катодном пространстве 17, измерительной потенциометрической ячейки 14 и, как следствие, к погрешности измерения. Кроме того, с уменьщением давления диффузия газов увеличивается. Диффузию против потока газа (противо даффузию) можно сделать как угодно малой увеличивая расход сравнительного газа. Однако увеличение расхода газа через катодное пространство 17 и трубопровода 19 вызовет перепад давления между катодным пространством 17 и анализируемой средой. Чтобы уменьшить погрешности измерения, обусловленные противодиффузией и перепадом давления и получить возможность определения состава газа при изменяющемся в широких пределах давлении, необходимо поток газа через катодное пространство 17 и трубопровод 19 поддерживать пропорциональным давлению анализируемого газа. Это достигается тем, что через катодное 84 пространство дополнительной твердоэлектролнтной ячейки создают конвективный поток анализируемого газа посредством регулято-ра массового расхода газа по давлению. Стабилизированное напряжение источника 9 тока, приложенное к злектродам 7 и 8, выбрано таким, чтобы полностью перекачать кислород из потока анализируемого газа, проходящего через катодное пространство 4 дополнительной твердоэлектролилюй ячейки 5 в катодном пространстве 17 потеициометрической твердозлектролитной ячейки 14. Предлагаемое устройство имеет лучише по сравнению с известными устройствами технические характеристики выще точность измерения и шире область его применения при (более простом аппаратурном оформлении. Формула изобретения Устройство для анализа состава газа, содержащее установленные в анализируемой среде потенщюметричёскую измерительную и дополнительную твердозлектролитные ячейки, вьшолненные кажцая в виде обогреваемой емкости, разделенной на катодное и аношюе mpoetpmства твердь1м электролитом, причем анодное пространство измерительной ячейки соединено с анализируемой средой, а катодное с анодаым пространством дополнительной ячейки, снабженной источником тока для полной перекачки определяемого компонента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено регулятором массового расхода газа по давлению, соединенным с катодным пространством дополнительной ячейки и выполненным в виде установленной вертикально в анализируемой среде обогреваемой емкости, открытой снизу и ограниченной сверху пневматическим сопротивлением, а катодное пространство измерительной ячейки соеданено трубопроводом с анализируемой средой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Тхоржевский В. П. Автоматический анализ химического сост;ава газов. М., Химия, 1979, с. 186-191. 2.Авторское свидетельство СССР N486573, кл. G 01 N 27/46,1976 (прототип). rO-i J7 W rff гГ fij f8