Устройство для измерения концентрации кислорода

Устройство для измерения концентрации кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящзпо из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей , выход первогЬ усилителя под ключей к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения,у первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу (Л блока вычисления коэффициента коррек-i ции, а выход соединен с вторым входом сумматора.

0% (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК зим С 01 N 27/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3*, ЩУ, А ю °

° е ее чФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

I (21) 3510295/18-25 (22) 15.11.82 (46) 30.08.84. Бюл. Ó 32 (72) В.Е. Прохоров, В.В. Сауткин и Ю.П. Воронин (53) 543.247(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 365642, кл. G Oi И 27/46, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 555327, кл. С 01 Н 27/46, 1977 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилителей,, выход первого усилителя под ключен к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, о т л и ч а ющ е е с. я тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе элект-, рода сравнения, первый и второй входы которого йодключены соответственно Я к выходу второго усилителя и выходу блока вычисления коэффициента коррек-: Q). ции, а выход соединен с вторым входом С сумматора.

1111091

Изобретение относится к газовому анализу, а именно к измерению концентрации кислорода в газовых средах с помощью электрохимических газоанализаторов. 5

Известно устройство для измерения концентрации кислорода в газах, содержащее твердый электролит и измерительный и эталонный электроды 11.

Однако известное устройство ха- 10 рактеризуется недостаточной точностью измерения, сложностью реализации при измерении состава газа твердоэлектролитными ячейками.

Наиболее близким по технической 15 сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации .кислорода, содержащее твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположе- 20 ны металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды соединены с входами двух усилите- 2 лей, а выход первого усилителя подключен к первому входу сумматора и первому входу преобразователя, с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора "21. ЗО

Недостаток данного устройства обусловлен зависимостью в реальных условиях точности измерения концентрации кислорода от степени различия величин перепадов температур на электродах ячеек, различия кислородной проницаемости и поляризации ячеек вследствие различных парциальных давлений кислорода в газовой фазе электродов сравнения и других факторов, 4О приводящих к изменению величины ЭДС ячеек не в соответствии с уравнением

Нернста во всем диапазоне измеряемых концентраций кислорода.

Цель изобретения — повышение точ45 ности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что -в устройстве для измерения концентрации кислорода, содержащем твердоэлектролитную ячейку, состоящую из двух камер, внутри которых расположены металлические эталонные электроды, а на торцовой поверхности твердоэлектр литной ячейки расположен измерительный электрод, причем электроды 5 соединены с входами двух усилителей, выход первого усилителя подключен к первым входам сумматора и первому входу преобразователя, а с вторым входом преобразователя соединен выход сумматора, дополнительно введены блок вычисления коэффициента коррекции, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, и вычислитель произведения коэффициента коррекции на ЭДС ячейки с меньшим парциальным давлением кислорода в газовой фазе электрода сравнения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу второго усилителя и выходу блока вычисления коэффициента коррекции,. а выход соединен с вторым входом сумматора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения концентрации кислорода.

Устройство содержит твердоэлектролитную ячейку 1, состоящую из двух камер 2 и 3, внутри которых располож ры металлические эталонные электроды 4 и 5 и на торцовой поверхности твердоэлектролитной ячейки расположен измерительный электрод 6.

Измерительный электрод 6 и эталонный металлический электрод 4 соединены с входами усилителя 7, и из мерительный электрод 5 соединены с входами усилителя 8, выход усилителя

7 подключен к первому входу сумматора 9, входу блока 10 вычисления произведения коэффициента коррекции и входу преобразователя 11, выход усилителя 8 подключен к входу блока

10 вычисления коэффициента коррекции и входу вычислителя 12 произведения, выход которого подключен к входу сумматора 9. Выход сумматора 9 подключен к входу преобразователя 11, а выход блока 10 коэффициента коррекции подключен к входу вычислителя

12 произведения.

Устройство работает следующим образом.Твердоэлектролитная ячейка 1 пере4 мещается в анализируемую среду с парциальным давлением кислорода Р. В двух герметично отделенных друг бт друга камерах 2 и 3 поддерживается парциальное давление кислорода соответственно P, " Р . Внутри этих камер расположены металлические электроды 4 и 5, а снаружи — общий измерительный электрод 6. На базе твердоэлектролитной ячейки 1 сформированы две гальванические ячейки с одним

1 3 11091 измерительным электродом 6 и различными электродами 4 и 5 сравнения.

ЭДС Е1 и Е обеих гальванических ячеек после усиления в усилителях

7 и 8 поступает соответственно с выхода усилителя 7 .на сумматор 9, блок

10 вычисления коэффициента коррекции

К и преобразователь 11, а с выхода усилителя 8 — на блок 10 вычисления коэффициента коррекции К и вычислитель произведения К Е2, сигнал с выхода которого подается на сумматор

9, который производит алгебраическое суммирование Е и К Е . В преобразователе 11 осуществляется основная операция по определению сигнала, непосредственно характеризующего пар" циальное давление кислорода в анализируемом газе.

Р (} /} х

4fIyCTb Ро > Poz "

}}

Согласно закону Нернста выражения для ЭДС Е каждой ячейки: ат . р„ (1)

% г где — ионное число персноса для данного матерна;}а электролита; — постоянная Фарадея; — газовая постоянная;

Т вЂ” температура среды в зоне расположения измерительного электрода; ч

РΠ— .парциальное давление О анализируемой среды;

Р,Р— парциальное давление С электродов сравнения.

Решая совместно уравнения (1) и (2) относительно Р,", получаем выражение для определения 4 Р . и функции Е4 и Eg

}} Е, 02 < Е 2 р где r Яи Pog, К =Ьл (— ) роа

1ешая уравнения (1) и (2) относи= тельно Т, получаем выражение для определения Т и функции Е и Е1 т Са„-Eõ) k (4)

М где = p. „, Р оа (îz

Таким образом, по формуле (4), зная значения ЭДС Е и Е каждой ячейки,можно определить температуру в зо45 не измерительного электрода при каж-, дом измерении парциального давления.

Известно, что эффект влияния на точность измерения парциального давления О различных факторов заключается изменении величины ЭДС каждой ячейки относительно расчетной по уравнению Нернста при данном парциальном давлении О в анализи10 руемой среде, а значит, и соответствующем изменении температуры Т, вычисленной по формуле (4).

При этом если зафиксировать некоторое начальное значение темпера15 туры в зоне измерительного электрода ячеек Т, при которой расчетное по формуле (3) значение парциального давления 02 соответствует фактическому в анализируемой среде, то раз20 ность температур дТ = Т вЂ” Т}, при постоянной во времени температуре измерительного электрода будет характеризовать суммарную величину погрешности измерения, вносимую различием

25 перепадов температур на электродах ячеек, различием проницаемости, поля-. ризации и других факторов, приводящих к изменению величины ЭДС обеих ячеек не в соответствии с уравнением

30 Нернста.

В связи с тем, что зависимость

ЭДС ячеек от -.åìïåðàòóðû Т линейка, величину приращения ЭДС первой ячейки Е . относительно ЭДС второй ячейки

Е от разности температур дТ = Т вЂ” Тр можно охарактеризовать некоторым коэффициентом коррекции К.

Тогда выражение для ЭДС Е может быть записано в виде

40 Ел =КЕ . g. Йо 7) р Po () е

ot где Е„- ЭДС ячейки при данном парциальном давлении кислорода в анализируемой среде Ро и температуре в зоне измерительного электрода To .

Отсюда, если известно значение коэффициента коррекции К при данном .Р, то можно откорректировать ЭДС к

50 Е.} так, что ее приращение за счет изменения температуры в зоне измерительного электрода, рассчитанной по формуле (4), на T будет скомпенсировано.

По формуле (5) находим выражение для коэффициента коррекции К

Й(ч т)L а, Р Р, 1 э

} у Я

ХЬг = о Е РО

S 11

Коэффициент коррекции может быть также найден по отношению величины аЕ = Е„ - Е при каждом измерении парциального давления 0 к величине

АЕр = (Е4 — Е ) соответственно начальной температуре To .

Действительно, раскрывая Т и Т по формуле (4) получаем для коэффициента коррекции К выражение фа .а аа. (Е,-Мк, м,.

При этом скорректированное значение ЭДС ячейки, используемое для определения парциального давления 0> в анализируемой среде, по формуле (3) будет равно а формула (3) принимает вид a@» =1 л- — Кд к 14- л или после упрощений (8)

B,- E, г

Таким образом, на вьиоде преобразователя 11, осуществляющего при заданных значениях К,К,К> и найденном К вычисление по формуле (8), получают сигнал 1п Р, не эавися- и щий от различия перепадов температур на электродах ячеек, проницаемости и поляризации их и других факторов, приводящих к изменению ЗДС ячеек не в соответствии с уравнением Нернста.

Пример применения предлагаемого устройства.

Выберем в качестве газов сравне-! ния чистый кислород с Рц = 10 Па

11091 6 и воздух с Р„ = 0,21 ° 10 Па, парциальное давление С в анализируемом газе с РД = 101,308 Па, температуру в зоне измерительного электрода Т

1093 К. При этом коэффициенты К1,.

К< К» будут равны:

К4 = 5» Ка = Оэ6792; КЗ= Оэ03369 а ЭДС "кислородной" Е„ и "воздушной" Е ячеек — соответственно

>0 162,Зппп и 125,6мЧ °

Предноложим, что температура в зоне измерительного электрода "кислородной" ячейки относительно воздушной ячейки, определяемая по фор"

15 муле (4), в результате воздействия неизотермичности, кислородной проницаемости и поляризации изменкпась на дТ = +10Р Тогда измеряемая ЭДС

Е4 будет равна 163,8vnV . При этом

20 расчет величийы парциального давленйя кислорода по формуле (3) дает значение Р" = 122,5 Па, а относительная погрешность измерения составит Д =

= 20,9Е.

Определяем по формуле (6) значение коэффициента коррекции К

Т 1103

К = — = — — = 1,009.

1093

30 .Расчет величины парциального давления кислорода по формуле (8) дает значение Р = 100;46 Па, а относительная погрешность измерения при этом составит d = 0,84X..

Таким образом, введение коррекции измеренного, значения ЭДС "воздушной" ячейки значительно снижает погрешность измерения парциального давления

40 кислорода в анализируемой среде.

1111091

4 5

Заказ 6303/36

Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Г. Боровик

Редактор М. Келемеш Техред Л .Коцюбняк Корректор А. Зимокосов