Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси

Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 200177(21) 2443669/18-25 (51)М. Кл. . Государственный комитет

СССР по дедам изобретений и открытий

G 01 N 27/46 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 25.1279. Бюллетень ЙЯ 47

Дата опубликования описания 25.1279 (53) УДК 543,257 °

° 08 (088 ° 8) (72) Авторы

Г M Мурзин, P.Ë. Пинхусович, Д.П. Подругин изобретения и В.Е. Журавлев (73) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦЙИ

КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

Изобретение относится к области .аналитического приборостроения, в частности, к устройствам для анализа газовых смесей, содержащих кислород 5 и Водород, и может быть использовано для технологического-контроля "при" получении инертных газов на возду" ..хоразделительных установках и "Дйя контроля чистоты газа по кислброду и щ водороду после каталитической очистки.

).. i

Известно устройство для опреде- ления кислорода или ведорода сбдержащихся в газовой смеси, состоящее из электролитического доватора кислорода либо водорода, осу-" шителя, реактора с катализатоРом и электфолитической ячейки для разложения воды (1) ° .

АнализируемьЩ гаэ поступает в дозатор, где в поток газа добавляется кислород либо водород. Далее поток газа проходит через осушитель и поступает в реактор, где происходйт взаимодействие определяемого компонента с добавлением. Образовавшаяся в результате Реакции вода подвергает- " ся электролизу в электролитйческой

2 ячейке. Ток электролиза позволяет судить о концентрации кислорода либо водорода.

Основными недостатками устройства являются "периодичность анализй.: и невозможность определения обоих компонентов в их совместном присутствии.

Наиболее близким техническим решением является известный прибор для определения кислорода или водорода в пробе, который содержит дегидратор, хроматографическую колонку, дозатор, реактор и электролитическуюячейку для определения воды. Проба, поступающая на вход прибора, смешивается с газом-носителем и очйщается от паров во4Й с помощью дегидратора

В хроматографической колонке происходит разделение кислорода и водорода. После хроМатографической колонки в газовую смесь дозируется либо кислород (при определении водо-: рода), либо водород (при определении кислорода). Вода . полученная в результате. реакцйи" йроходящей в реакторе, подвергается электролизу в электролитической ячейке. По току электролиза -судят о концентрации

3 70 определяещого компойента (2). Таким образом, известное устройство"прйгодно только для периодического анализа и требует участие оператора или применение сложных устройств для ввода пробы и поочередного доэирования кислорода и водорода при совместном присутствии этих .

Номйоиентов, Кроме того, как и"у --всех хроматографических методов велико время анализа по Сравнению с непрерывными методами

Целью изобретения является устра-: йенйе периодичности анализа, умень йение"времени анализа и автоматйзация процесса йзмерения. Кроме того, изобретение позволяет проводить одновременное непрерывное измерение кислорода" и -водорода, что невозможно с помощью известнйх устройотв " . "

Поставленйая цель достигается тем, что предлагаемое устройство снабже нО твердоэлектролитной ячейкой постояиного йайряженйя и йзмерителем тока", -расположенной после электро литической ячейки и соединенйой с— последней газовым трактом, причем

"электроды :твердоэлектролитной и элек"""тролитической ячеек с источниками

" йайряжеййя включены в противополож-. йыЕ днагОнали моста, образованного

" -измерителями"тока и двумя электрическими вентилями, имеющими величи ну йрямого падения напряжения не более 0,2 B-На чертеже изображена структур " ная схема устройстваУстройство для измерения кон центрацйи киСлорода и водорода со держйт дегидратбр 1. реактор 2, электролитическую ячейку 3 для разло- " жения : воды с источником напряжейия

4, ТВердоэлектролитную ячейку (ТЭя)

5 с Источником напряжения 6, измерители тока 7, 8 и электричеокйе" вен" тили 9, 10.

Устройство функционирует слейу ощит образом. Анализируемый газ с постоянной скоростью поступает в дегидратоР 1, выполненный, найрймер- "в. виде трубки, заполненной гигроскойи"

Мам веществом (например фосфорным ангидридом) . Осущенный газ проходйт, Mepei реактор 2, работающий при"тем- пературе достаточной для быстрого.: взаийодействия кислорода с. водородою (выме 400ОC) . Из реактора газ поступает Й"электрблитическую ячей, ку 3,,,в которой:происходит разло жение воды, образовавшейся "в реакторе. Ток .электролиза J эл. при постоянном расходе газа riporrop-! ционален концентрацйи водорода и кислорода прореагировавших в реакторе.

Иа электролитической ячейки 3 гаэ поступает в ТЭЯ 5, работаЮщую пРи температуре выме 700 С Работа этой

5320 4 ячейки происходит следуюшим образбм. Чувствительный элемент выполнен, например, в виде пробки из твердого электролита на основе двуокиси циркония. На стенки и донышко пробирки

5 на расстоянии 50 мм от донышка нанесены газопроницаемые электроды „ из металла, не окисляющегося при рабочей температуре ТЭЯ. Рабочая температура поддерживается нагревате 1О лем. Внутрь чувствительного элемента подается анализируемый газ„ снаружи чувствительный элемент бмывается . атмосферным воздухом. К электродам чувствительного элемента подключен источник напряжения б, задающий напряжение опРеделенного значе- ния и токоизмерительный прйбор. Эадаваемое напряжение по численному "зйачению и -йблярностй выбирается такйм,- чТобы при поступлении в ТЭЯ

2О кислброда происходило его практически полное извлечение, а при "поступлении в ТЭЯ водорода дозиро"

:валось эквивалентное количество кислорода. Численное значение этого

25 напряжения может быть определено, : если уйсть,:что наибольшая точность измерения обоих" Компонентою дости. гается, еслй"" йа выходе из ТЭЯ не .. будет избыточных, по сравнению со

30 стехиометрическим, кислорода н водо -рода, т. е при соблюдении соотношения . о н,, (Ц

35 где Р - парциальное давление кисО2 лорода на выходе из ТЭЯ;

Р " парциальное давление воН2

" дорбда на выходе из ТЭЯ, При усЛовии достижения термодйнамического равновесия и с учетом (1), а также, если пренебречь явлениями поляризации и падения напряжения на омическом сопротивлении твердого электролита и элементах электроизмерительной схемы, 45 заданное напряжение может быть вычислено из следующего соотношения, полученного из известной формулы .

Нерйста:

М1 . Ро

50 - . ц

20 У ( где R — газовая постояннаяу

T -- температура рабочей эоны

55 ТЭЯ! и — число зарядов в ионизированной молекуле кислорода, F - -число Фарадея; () Р " парциальное давление кисло2 рода в сравнительной среде:

Р - марциальное.давление воды на выходе из ТЭЯ

К„" константа равновесия реакции образования воды, 705320

Формула изобретения зо .о Q - 9л 1)

Однако для практических целей, как показывают расчеты, достаточная точность измерения обоих компонентов (26 отн.) достигается в широком диапазоне концентрации кислороду и обРазовавшейся воды (от 5

1 10 до 0.1% об.),. если напряжение выбирать в пределах от 0 3 до 0 6 В при температуре ТЭЯ от 700 до 900 С и максимальных падениях напряЖения на элементах электроизмерительной схемы не более 0,2 В.

Рассматривая далее работу устройства отметим, что поступающий в ТЭЯ гаэ содержит только ынслород или водород,так как один из этих ком- ; понентов полностью переходит в воду.

И,. таким образом, ТЭЯ работает либо в режиме кулонометрического извле чения кислорода, при этом будет проте;кать ток 3, либо в режиме кулоно метрического доэирования кислорода, 20 йРи этом будет протекать ток 3

Тогда концентрация кислорода в анализируемом газе определяется иэ соотйошения: : 25 а концентрация водорода будет равна:Щ

Эи с = — -(а «з ) (4)

Н Q ЗЛ 2 где Э и Э„ - злектрохимические эквиваленты кислорода и в6дорода : 35

Я вЂ” расход газа

Электрическая. схема устройства, показанная на чертеже-позволяет определять раздельно как ток, характе РиэиРующий концентрацию кислорода 4О так и ток, характеризующий концентрацию водорода блаГодаря томуся что как видноена чертеже ток электро- лиза воды протекает через оба токоизмерительных прибора 7 и 8, а ток через ТЭЯ в полярности, соответствую щей определению кислорода (извлечение его из потока анализируемого газа), протекает только через тОкоизме" .Рительный прибор 8, а в полярности, соответствующей определению водорода (дозирование кислорода в поток анализируемого газа), протекает только через токоизмерительйый прибор 7. .. Вкпб

Падение напряжения в электроизмерительной цепи определяется в, основном характеристикой вентилей, поэтому для возможности практи ческой реализации устройства важнейшим требованием является допустКмая величина прямого падения напря" жения применяемых вентилей, которая должна быть не более 0,2 В.

Предлагаемое устройство позволяет автоматически и непрерывно вести контроль эа сбдержанием кислорода и водорода в инертных.газах и азоте в технологических линиях при получении газов, а также осуществлять контроль за чистотой готовой продукции. Диапазон измерений газоанализатора составляет от 1 10 Здо

0,1Ъ об., постоянная времени менее

2 мин., погрешности измерения t, 2% отн. Устройство позволит заменить устройства, используемые в настоящее время.

Устройство для измерейия концентрации компонентов газовой смеси, содержащее дегидратор реактор и электролитическую ячейку для электролиза воды с источником постоянного напряжения и измерителем тока, последовательно соединенные газовым трактом, о т л и ч а Й щ е е с я . тем, что, с целью непрерывного одновременного измерения кислорода и водорода и автоматизации процесса измерения, оно снабжено твердоэлектролитной ячейкой с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенной после электролитической ячейки по ходу газового потока, и двумя электрическими вен- тилями, образующими с измерителями тока схему моста причем электроды твердоэлектролнтной и электролитической ячеек с источникамн напряжения включены в противоположные диагонали моста.

Источники информации принятые во,внимание при. экспертизе

1. Патент ФРГ В 1200575, кл. 42 В 4/16 1963 °

2. Патент США У 3006836, кл. 204-195 1958. укаЯ гиа

ЦИНИПИ Заказ 8018/45

Тираж 1073 . Подписное

Филиал ППП .Патент, г.Ужгород, ул., Проектная, 4