Устройство для измерения концентрации компонентов газовой смеси

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийС 01 И 27/46 с присоединением заявки Йо(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦЙИ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ СМЕСИ 1Изобретение относится кобласти .аналитического приборостроения, в. частности, к устройствам для анализагазовых смесей, содержащих кислород и Водород, фи можетбыть использовано для технологического-контроля"при"получении инертных газов на возду" ., хоразделительных установках и"для"контроля чистоты газа по кислброду и щводороду после каталитической очистки..ЛИзвестно устрс(йство для опреде" ления кислорода или ведорода сбдержащихся в газовой смеси, состоящее из электролитического доватора кислорода либо водорода, осу-" шителя, реактора с катализатором"и электролитической ячейки для разложенияводы (1)АнализируемьЩ газ 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 врезультате реакции вода подвергает- "ся электролизу в электролитйческой 2ячейке. Ток электролиза позволяет судить о концентрации кислорода либо водорода.Основными недостатками устройства являются "периодичност;ь анализа: и невозможноСть определения обоих компонентов в их совместном присутствии.Наиболее близким техническим решением является известный прибор для определения кислородаили водорода в пробе, который содержит дегидратор, хроматографическую колонку, дозатор, реактори электролитическую- ячейку для определения воды. Проба, поступающая на вход прибора, смешивается с газом-носителем и очйщается от паров во 4 Й с"помощью дегидратора В хроматографической колонке происходит разделениекислорода -и водорода. После хроМатографической колонки в газовую смесь дозируется либо кислород (при определении водо-: рода), либо водород (при определении кислорода). Вода,. полученная в результате.реакцйн"йроходящей в реакторе, подвергается электролизу в электролитической ячейке. По току электролиза -судят о концентрации3 70определяещого компойента (2). Такимобразом,известное устройство"прйгод" но только для периодического анализа и требует участие оператораили применение сложных устройствдля ввода пробы и поочередногодоэирования кислорода и водородапри совместном присутствии этихНомйоиентов, Кроме того как"и"у"всех хроматографических методов велико время анализа по Сравнениюс непрерывными методами.Целью изобретения является устра-:йенйе периодичности анализа, умень"йение"времени"анализа и автоматйза" ция процесса йзмерения. Кроме того Изобретение позволяет проводитьодновременное непрерывное измерениекислорода" и водорода, что невозможнос помощью известных устройотвПоставленйая цель достигается тем,что предлагаемое устройство снабже- нО-тйердоэлектролитной ячейкой"пос"йояиного йайряженйя-и йзмерителем"гоков","расположенной после электро- литической ячейки и сбединеннойс -последней газовым трактом, причем "."Электроды:твердоэлектролитной и электролитической ячеек с источниками "йааряжеййя включены в противоположМыЕ диагонали моста, образованного "измерителями"токаи двумя электрическими вентилями, имеющими величи- ну йрямогопадения напряжения неболее 0,2 ВНа чертеже"изображена структур "ная схема устройства.Устройство для измерения кон центрацйи киСлорода и водорода содержйТ дегидратбр 1. реактор 2, электролитическую ячейку 3 для разло-жения: воды с источником напряжейия4 тВердовлектролитную ячейку (ТЭЯ)5 с источником напряжения б, изме рители тока 7, 8 и электрическйе"вен"тили 9, 10.Устройство функционирует слеубчощиМ образом. Анализируемый газ спостоянной скоростью поступает в де-гидратор 1, выполненный; найрймер"в.виде трубки, заполненной гигроскойи" - чнь)м веществом (например фосфорнымангидридом). Осущенный газ проходйт,через реактор 2, работающий при"тем-пературе достаточной для быстрого:.взаийодействия кислорода с. водородои (вкае 400 ОС) . Из реактора газпоступает Й"электролитическую ячей-, ку 3,в которой:происходит разло- " .жение воды, образовавшейся"в реак-торе. Ток электролиза 3 эл. припостоянном расходе газа пропорЪционален концентрацйи водорода икислорода прореагировавших в реакторе.Из электролитической ячейки 3 гаэпоступает в ТЭЯ 5, работающую приТемпературе вжде 700 фС Работа этой 5320 . 4ячейки происходит следуюшим образбм. Чувствительный элемент выполнен,например, в ниде пробки из твердогоэлектролита на основе двуокиси циркония. На стенки и донышко пробирки5 на расстоянииф 50 мм от донышка нанесены газопроницаемые электроды .из металла, не окисляющегося прирабочей температуре ТЭЯ. Рабочаятемпература поддерживается нагревате 1 О лем. Внутрь чувСтвительного элементаподается анализируемый газ снаружичувствительный элемент 1 бмывается. атмосферным воздухом, К электродамчувствительного элемента подключен источник напряжения б, задающий напряжение определенного значения итокоиэмерительный прйбор. Эадаваемое напряжение по численному"зйачению и -полярностй выбираетсятакйм,- чТобы при поступлении в ТЭЯ20 кислброда происходило его прак"тически полное извлечение, а при"поступлении в ТЭЯ водорода дозиро":валось эквивалентное количествокислорода Численное значение этого25 напряжения может быть определено,: еслиуЧесть,.что наибольшая точностьизмеренияобоих"Компонентов дости. гается, еслййа выходе из ТЭЯ небудет избыточных, по сравнению со3 О стехиометрическим, кислорода и водо"рода, т. е при соблюдении соотношения.о Н, (1)35 где Р - парциальное давление кисотлорода на выходе из ТЭЯ;Р "парциальное давление вонадорода на выходе иэ 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,полученногоизизвестной формулы .Нерйста ьЗ . Ро50 . О = - =Ь т,Г)угде Н - газовая постоянная;Т -температура рабочей эоны55 ТЭЯ;и - числозарядов в ионизированной молекуле кислорода,Г - число фарадея;6 О Р " парциальное давление кисло 2рода в сравнительной средеР - нарциальное.давление водына выходе из ТЭЯК" константа равновесия реакции образования воды,705320 Формула изобретения С = - (д +З), о 0 ъл 1ИИПИ Заказ 8018/45 аж 1073 Подписное Однако для практических целей,как показывают расчеты, достаточная точность измерения обоих компонентов (2 отн.) достигается вшироком диапазоне концентрации кис"лороду и образовавшейся воды (от1 10 до 01 об.),. если напряжениевыбирать в пределах от 03 до 06 Впри температуре ТЭЯ от 700 фдо 900 дСи максимальных падениях напряЖения"на элементах электроизмерительнойсхемы не более 0,2 В,Рассматривая далее работу устройства отметим, что поступающий в ТЭЯгаэ содержит только ынслород иливодород,так как один из этих ком-;понентов полностью переходит в воду.И,. таким образом, ТЭЯ работаетлибов режиме кулонометрического извлечения кислорода, при этом будет проте;кать ток 3, либо в режиме кулонометрического доэирования кислорода, 20йри этом будет протекать ток д Тогда концентрация кислорода ванализируемом газе определяется иэсоотйошения: : 25 а концентрация водорода будет равна 30зи с: в .ф-( +з ),. (4)Н .О зл а где Э и Э - злектрохимические эквих И валенты кислорода и в 6 дорода 35- расходгазаЭлектрическая. схема устройства, показанная на чертеже позволяет определять раздельно как ток, характе- риэирующий концентрацию кислорода, 40 так и ток, характеризующий концен- трацИЮ ВОдОрсда бЛаГОдаря тОМул что как видноена чертеже ток электролиза воды протекает через оба токо- измерительных прибора 7 и 8, а ток через ТЭЯ в полярности,соответствующей определению кислорода (извлечение его изпотока анализируемого га-за), протекает только через. тОкоизме" .рительный прибор 8, а в полярности, соответствующей определению водорода (дозирование кислорода в поток анализируемого газа), протекает только черезтокоизмерительйый прибор 7 е . Вкпб Ладение напряжения в электро" измерительной цепи определяется в, основном характеристикой вентилей, поэтому для возможности практи ческой реализации устройства важнейшим требованием является допустК- мая 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 газо- анализатора составляет от 110 Здо 0,1 об., постоянная времени менее 2 мин., погрешности измерения , 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 иавтоматизации 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 источниками напряжения включены в противоположные диагонали моста.источники информации принятые во внимание при экспертизе1. Патент ФРГ В 1200575, кл. 42 В 4/16 19632. Патент США У 3006836, кл. 204-195, 1958.Вика филиал ППП .Патент,г.ужгород, ул., Проектная