Способ измерения концентрации кислорода

Способ измерения концентрации кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 555327 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.06.73 (21) 1928367/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.

G 01 N 27/46

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР па делам изобретений и аткрытий (43) Опубликовано 25.04,77. Бюллетень № 15 (53) УДК

543.27 (088.8) (45) Дата опубликования описания 02.07.77 (72) Авторы изобретения

В. В. Сауткин, С. Л. Ривкин и М. Я. Хесин (71) Заявитель Всесоюзный дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический институт им. Ф. Э. Дзержинского (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА

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

Известен способ измерения концентрации кислорода, заключающийся в пропускании анализируемой среды через твердоэлектролитную ячейку с заданным значением парциального давления кислорода в газовой фазе электрода сравнения и измерении э.д.с. этой ячейки.

Этот способ позволяет измерять концентрацию кислорода путем определения химического кислородного потенциала анализируемой среды, на его основе построено большое число современных электрохимических газоанализаторов на кислород.

Недостатки этого способа заключаются в следующем: — измеряется не парциальное давление кислорода, а химический потенциал, что влечет за собой необходимость точного измерения и компенсации (или стабилизации) температуры среды в зоне измерения; — уравнение Нернста, определяющее работу твердо электролитной ячейки, соблюдается лишь в весьма ограниченном диапазоне параметров измеряемых концентраций и температур, а отклонение реальных характеристик ячеек от теоретической зависимости не поддается аналитическому описанию, поэтому известный способ анализа применим лишь к весьма ограниченному диапазону параметров (в частности при Т) 1200 К и Ppi(1 Па, известный способ практически не может быть применен для точных измерений); — для измерения может быть использован огра1о ниченный круг материалов электролитов с чисто ионной проводимостью, у которых ионное число переноса лежит в пределах (0,99 — 1,00), что существенно ограничивает рабочий диапазон температур, измеряемых парциальных давлений и снижает

15 точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности достигается непосредственным измерением парциального давления кислорода.

Для достижения этой цели анализируемую ао среду дополнительно пропускают через вторую аналогичную ячейку с другим значением парциального давления кислорода в газовой фазе электрода сравнения. О концентрации кислорода в анализируемой среде судят по отношению э.д.с, одной ячейки к алгебраической сумме э.д.с. обеих ячеек.

I !! я х

Пусть > р и Р Р

Oz С1

2 2 2 о

Согласно закону Нернста выражения для з.д.с. Е каждой ячейки:

q7 P

О 2

4Р Т1 х р

1 с7) Здесь T! — НО11 100 -игсло переноса для данного материала электро;1ита:

Р— лостоя1;1-. зя а-,. Вг-.,ея;

R — газовая пос-.oÿ:è;àÿ;

1 — теъя10рае) ра «репы в зоне располо хения изме ритсльног О злек т1 О ча: х

Pp — парц11ы.,:. Ос дав.". ение О- анализируемой среды:

1,!

Р0;гР0: — ПаРЦЛаЛЬЧ:0 ДЯВЛЕНИЯ 0 ЭЛЕКТРОДОВ срав нения.

Решая совместно ур2В11епия (1) и (), получим: ро

2 р f(1 а2

0

Бт1 Р = Ст1 Р о o2 E+E

1 2

Ь, . .! i .. ;, г(,- = л, ОН01Р ат» Iьно получим:

На чер. с;;0 с.хемат11ч11О 11эображено устройство.

У вердьш элскгрО.L:l Ном01цен Б .а.-1эзизируемую среду с и ;рциальяь1г1 давлением кис:1орода тъ Х

РО2 . Он ".Остоит --з двух герметически отделен11ь1х др ;-." .;т друга Объемов 2 и 3, В которых подцерк1:>а1сгся пар1О1х!üHI 10 давления кислорода соответстзе:-:но . 0-„и Р01, Внутри этих объемов расположены мсталлп Cc". 10 злектроды4 и 5, а снаружи — общий металлический электрод б, На базе элсктрол111а . сформированы две гальванические ячеЙКН с 0„1Н11аковым электродом, ОдинакоВым измерительным эл ктродом, образованным анализируемой средой и электродом 6, и разными электродами сравнеш1я, Образованными металлическими электродами 4 и 5, и составами, заполняющими объемы электродных пространств 2 и 3.

Эд.с. Е, и Е. Обеих гальванических ячеек после усиления в усилителях 7 алгебраически суммируются в сумматоре 8. В преобразователе 9 Осуществляется Основная Операция по Определению сигнала, непосрезствснно характеризующеьо парциальное давление кислорода в анализируемом газе.

555327 щего вычисление по формуле (4) и заданным х значениям К1 и Ê2, получают сигнал гпР02.

Рассмотрим примеры применения предлагаемого способа на основе экспериментальных данных.

П р и M е р 1, Из данных результатов измерения зависимости э.д.с. Е от температуры Т для двух ячеек: 0,21 % 02 (Zr02+CaO) 100%0 и

0,21 %02 (Zr0g+Ca0) 21 %0, приведенных в дис1р сертации Патейски (1969 г.), следует, что при

Т)1500 К наблюдается заметное отклонение э.д,с, от теоретической зависимости, определяемой уравнением Нернста. Если принять за сравнительные газы 100%0> для первой ячейки и 21%02 для

15 второй, то по любой из экспериментальных кривых при Т> 1500 К нельзя правильно определить концентрацию кислорода на измерительном электроде.

Например, при T =1979 К э.,ц.с. "кислородной" ячейки составляет 211,4 мв, что соответствует

20 концентрации кислорода в анализируемом газе

0,693 %, т.е. ошибка в определении кислорода составляет 330%. При той же температуре э.д.с. воздушной ячейки — 158,3 мв, что соответствует концентрации кислорода 0,502%0, и дает ошибку

2О измерения 240 %.

При определении содержания кислорода по предлагаемомуметодуполучаем о -) 11,4.0 б ЯЗ

3 оа 2«,4. 158.3

2,703, что соответствует концентрации кислорода

30 0,.199% О,. Таким образом, ошибка определения концентрации кислорода составляет 5% от измеряемой величины и лежит в пределах погрешности эксперимента.

Пример 2. В ходе проверки предлагаемого

З способа при измерениях ультранизких концентраций кислорода в инертных газах были получены аналогичные зависимости Е (Т) для двух ячеек: х х аРгон+ PQ, (Zr00+Y>0>) кислоРод и аРгон + PQ.. (Zr0, +У, Оз ) воздух, 0 Сравнительный газ первой Ячейки — чистый кислород, второй ячейки — воздух. х „ т Qq — парциальное давление следов кислорода, .содержащегося в аргоне.

Оказалось, что получегиые зависимости э.д.с. от температуры не соответствуют уравнению Нернста

У

У а значения Р02, посчитанные по уравнению Нернста раздельно для первой и второй ячеек в диапазоне температур 1000 — 1500 К, "пробегают" значения от

0,89. 10 % О, до 0,75. 10 %, iie повторяясь. ..-.,0 Г1ри этом точность измерения 1 0;" с помощью

Одной Ячейки но уравнению Нернста оценивается

Величиной 1 000% от измеряемой 0011ичины. В то

В cCÜÉ i::ç;:10r10!I;10 предлагаемым спосОООМ дает

РЕ .10ТЯТ i,,;2! 01 *% О, ВО ВСЕМ Д11ЫЯЗОН0 ТСМП0..-:г;:;, оТ 1000, o,500 К. Разброс полученных

;с э ..:,.:-r;"Ов 1 3."1ср ния не преВышает г1огрешности з100 гериг!CIITR, Оцегл1r:r01 Ioé величиной Около 5 % oT

ЯЗ!.10 ЯСГЬОИ З01ГИЧИ11Ы.

Таким Образом, предлагаемый способ благо .àoIi iI0iIoñð0äñTâ0ííoìó измерению парциального

555327

ЦНИИПИ Заказ 452/20 Тираж 11от Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная. 4 давления кислорода вместо химического потенциала обладает преимуществами перед известным способом .

1. Возможность применения широкого класса материалов электролитов, ионное число переноса которых лежит в пределах 0,5 < t, C 1 (при существующем способе это условие очень жестко

0,99 < t i <1,0). Отсюда вытекает возможность выбора наиболее удобных, прочных и технологичных материалов для изготовления электролитов.

2. Отпадает необходимость измерения, компенсации или стабилизации темпе ратуры анализируемой среды, что позволяет упростить измерение и повысить его точность. Это особенно су цественно при резко переменном характере изменения температуры анализируемой среды.

3. Расширяется рабочий диапазон по измеряемым парщаальнь:м давлениям и температурам в случае применения известных электролитов счистоионной проводимостью. При этом чувствительность измерения повышается на несколько порядков.

4. Компенсируются все линейные составляющие погрешностей изме-„ели.—., — ча ности, линейная составляюп,ал —.-:-ра=итной термоэдс, возникающая при работе ячеек в неизотерж..ческих условиях и дающая суп естг.о иый вклад в погрешность измерения.

Формула изобретения

Способ измерения концентрации кислорода, заключающийся в пропускавши анализируемой среды чсрез твердоэлектролитную ячейку с заданным значением парциального давления кислорода в газовой фазе электрода сравнения и измерения э.д.с. этой ячейки, отличающийся тем, что, сцелью повышения точности за счет непосредственного измерения парциального давления кислорода, анализируемую среду дополнительно пропускают через вторую аналогичную ячейку с другим значением @ парциального давления кислорода в газовой фазе электрода сравнения и о концентрации кислорода в анализируемой среде судят по отношению эд.с. одной ячейки к алгебраической сумме э.д.с, обеих ячеек.