Способ измерения концентрации кислорода

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51) М, Кл. 6 01 И 27/4 сударстоенный комитетсвета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий(45) Дат ликования описания 02,07,77. В, Сауткин, С вкин и М. Я, Хесин 71) Заявит сесоюзный дважды ордена Трудового Красного Знам теплотехнический институт им, ф, Э, Дзержинского КИСЛОРОДА СПОСО МЕРЕНИЯ КОНЦЕНТР тур 15 точи(или стабилиизмерения; 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 ностроено большое число современных электрохимических газоанализаторов на кислород.Недостатки этого способа заключаются в следующем: ся не парциальное давление кислокий потенциал, что влечет за собой точного измерения и компенсации зации) температуры среды в зоне- уравнение Нернста, определяющее рабо твердо электролитной ячейки, соблюдается лишь весьма ограниченном диапазоне параметров изм ряемых 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 Р 0( 1 Па, известный способ практически не может быть применен для точных измерений);- для измерения может быть использован огра О ниченный круг материалов электролитов с чистоионной проводимостью, у которых ионное числ переноса лежит в пределах (0,99 - 1,00), что существенно ограничивает рабочий диапазон темпера, измеряемых парциальных давлений и снижаетость измерения. Цель изобретения - повышенидостигается непосредственным измере ного давления кислорода,Для достижения этой цели анализируемую 20 среду дополнительно пропускают черезвторую 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 а алгебраической сумме э,д,с. обеих ячеек.а л хПустьр р и Р,РО 22 2ОСогласно закону Нернста выражения для з.д.с. Екаждой ячейки: рО 2СТ 1р2 ьт р ФГ р."М(2) Эдесь т - ионное число пер:носа для данногоматериала электро;111 та:Р - ЛОСТО 511112 Я т а-,адея;В - ГВЗОВаЯ ПОСТОЯи 1 аЯ;Т - теъп 1 ераера среды в зоне расположенияизмерительного злек "1 оча:хР 0, - парцча 51 ь,:.Ос давлсгп 1 е О- анализируемойсреды;Р 0;гР 0: - Па; Ц;1 ",Ь 1;:Е ДаВЛЕНИЯ О элЕКТРОДОВсравнения.Реш:я совместно урв 11 ения (1) и , полу.чим: ро 2 р ф,На чертеж схет 1 а 11111 т 1 О изображено устройство.верды 51 элс 1 грол.:помещен В .2.-1 ализируЕМт 1 С Срсд)т С Парцит 31."1 Ьт 1 ДВВЛЕНИЕМ КИС.1 орОДа тРО 2 . Он состоит .;3 двух герметически от- дЕЛЕНГЫХ др,Г .;Т друГВ ООЪЕ.Жв 2 И 3 В КОТОРЫХ подцерхи:авгся пар 1 Н 1,".1 ьн 1.1 е давления кислорода соответственно 0-11 Р 0 Внутри этих объемов расположены мсталлпгеские электроды 4 и 5, а снаружи - общий металлический электрод б, На баЗЕ ЭЛСКТро 111 Г 1 а 1 Сфо,"тагрованы ДВЕ ГЗЛЬВаНИЧЕС кие ячейки с св 11 аковь 1 м Э 11 сктродом, ОдинакоВым измерительным электродом, образованным анали. зируемой средой и электродом 6, и разными электродами сравнеш 151, Образоваш 1 ыми металлическими электрода 1 п 1 4 и 5, и составами, заполняющими объемы электроднь 1 х пространств 2 и 3,Эсд.с Е 1 и Ез ООеих гальВанических Ячеек после усиления в усилителях 7 алгебраически суммируются в сумматоре 8. Б преобразователе 9 осущестВляетс 51 Основная ОГВ 1 ация по Определению сигнала, непосредственно характеризующеьо парциальное давле 1 В 1 е 1 сислооода В анализируемом газе. 555327щего вычисление по формуле (4) и заданнымхзначениям К, и К 1получают сигнал ГпР 0 .Рассмотрим примеры применения предлагаемого способа на основе экспериментальныхданных.П р и м е р 1, Из данных результатов измерениязависимости э.д.с. Е от температуры Т для двухячеек: 0,21 % О (Е г 01+СаО) 100%0 и0,21%0, (Ег 0,+СаО) 21%0 приведенных в дис.10 сертации Патейски (1969 г.), следует, что приТ)1500 К наблюдается заметное отклонение э.д,с,от теоретической зависимости, определяемой уравнением Нернста. Если принять за сравнительныегазы 100%0 для первой ячейки и 21%0 для15 второй, то по любой из экспериментальных кривыхпри Т 1500 К нельзя правильно определить концентрацию кислорода на измерительном электроде,Например, при Т =1979 К этд.с. "кислородной"ячейки составляет 211,4 мв, что соответствует2 О концентрации кислорода в анализируемом газе0,693%, т.е. ошибка в определении кислородасоставляет 330%. При той же температуре э.д.с,воздушной ячейки - 158,3 мв, что соответствуетконцентрации кислорода 0,502%0, и дает ошибку25 измерения 240%.При определении содержания кислорода по предлагаемому методу получаемр Й 1,4. О, 670 ЬО 2 2114 118,Э2,703, что соответствует концентрации кислорода30 0199% О,. Таким образом, ошибка определенияконцентрации кислорода составляет 5% от измеряемой величины и лежит в пределах погрешности экс.перимента,П р и м е р 2. В ходе проверки предлагаемого35 способа при измерениях ультранизких концентраций кислорода в инертных газах были полученыаналогичные зависимости Е (Т) для двух ячеек:х харгон+ Р 0, (ЕгО+УОз) кислород и аргон + Р 0:12.гО, +У, О;) воздух,40 СраВНИТЕЛЬНЬЗ 1 Гаэ ПЕрвсй яясйКИ - ЧИСТЫЙкислород, второй ячейки - воздух,х10, - парциальное давление следов кислорода,содержащегося в аргоне.Оказалось, что получе 1 иые зависимости э,д.с. оттемпературы не соответствуют уравнению Нернстаха значения Р 0посчитанные по уравнению Нернстараздельно для первой и второй ячеек в диапазонетемператур 1000 в 15 К, "пробегают" значения от0,89.10 % Ог до 0,75, 10 %,неповторяясь.При этом точность измерегп 1 Я 1 О;" с помощьюодной ячейки по уравнению Нернста оцениваетсяВели 1 иной 1 000% от измеряемой ВС 515 чинь 1. В тоВремя .э;лерен 1 е предлагаемым слосооом даете,:.ьтат ,02 0 % О, во всем Диапазоне 1 емпе".ур От 1000,О 1500 К, Разорос полученных;:се.1 тагов ьз.1 среж 15 1 не 11 ревышает погрешностизксчерил 1 е 11 та, Оцен 1 ваеь 10 й Величинсй около 5 % ОтЛЗЬЕ тЯЕ Мой ЗЛЧ 1 ИН 1 т.ТВКИ 1 т 1 ОбраЗОМ, ПрЕдЛаГаЕМЫй СПОСОб бЛаГОдаря 11 е 11 осредственному измерению пар 1 В 1 ального555327 ЦНИИПИ Заказ 452/20 Тираж 1101 Подписно Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная. 4 давления кислорода вместо химического петенциала обладает преимуществами перед известнымспособом 1, Возможность применения широкого класса материалов электролитов, ионное число переноса которых лежит в пределах 0,5 . т 1 (при су. ществующем способе зтоусловие очень жестко 0,99 ( т(1,0). Отсюда вытекает возможность выбора наиболее удобных, прочных и технологичных материалов для изготовления электролитов,2. Отпадает необходимость измерения, компенсации или стабилизации температуры анализируемой среды, что позволяет упростить измерение и повысить его точность, Это особенно сугцественно при резко переменном характере изменения температуры анализируемой среды. 3, Расширяется рабочий диапазон по измеряемым парщальнь: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 из;ле-ели. - ., - ча ности, линейная составляюп,ал пара-итной термоэдс, возникающая при работе яч;ск в неизотермических условиях и дающая сушестгониый вклад в погрешность измерения. Формула изобретения 1 О Способ измерения концентрации кислорода,заключающийся в пропусками 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 р парциального давления кислорода в газовой фазеэлектрода сравнения и о концентрации кислорода в анализируемой среде судят по отношению эд.с, одной ячейки к алгебраической сумме э.д.с, обеих ячеек.