Датчик газоанализатора кислорода

Предлагаемая полезная модель датчика газоанализатора кислорода относится к области аналитического приборостроения. Цель полезной модели - расширение диапазона измерений концентраций кислорода в инертных газах и азоте и упрощение конструкции элементов газового тракта. Предлагаемый датчик газоанализатора кислорода содержит нагреватель, термопару и чувствительный элемент, включенный в газовый тракт. Новым является то, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, позволяющая расширить диапазон измерения концентраций кислорода, а регулировка расхода газа осуществляется устройством тонкой регулировки, одновременно служащим конструктивным элементом крепления потенциометрической твердоэлектролитной ячейки. Такое исполнение позволяет упростить конструкцию элементов газового тракта и выполнять измерения при анализе газов с различной плотностью. Изготовлены образцы датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 1 10^-6 до 100% об. Предлагаемый датчик иллюстрируется чертежом.

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика в газоанализаторах при получении инертных газов и азота на воздухоразделительных установках для контроля чистоты газов по кислороду и при проведении научно-исследовательских работ, связанных с разработкой технологий получения чистых газов.

Известен датчик для определения кислорода в газах масс-спектрометрическим способом (Вейнеров М.Л. и др. "Автоматические газоанализаторы", Центральный институт научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения, М., 1961 г.).

В датчике масс-спектрометрического газоанализатора газ ионизируется. Образовавшиеся ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы иона к его заряду, а затем поступают на коллектор и дают в его цепи ток, пропорциональный парциальному давлению кислорода.

Датчик имеет ряд недостатков:

- сложное аппаратурное оформление;

- узкий диапазон измерений.

Известен также термомагнитный датчик для определения концентраций кислорода в газах (Коллеров Д.К. "Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии", Из-во стандартов, М., 1980 г.).

Способ основан на парамагнитных свойствах кислорода. Под действием магнитного поля возникает термомагнитная конвекция кислорода, содержащегося в анализируемом потоке газа, пропускаемого через кольцевой газопровод. По диаметру газопровода имеется соединительный газоход, находящийся под действием магнитного поля. В газоходе устанавливается

поток газа, интенсивность которого зависит от концентрации кислорода. Поток газа охлаждает платиновые проволоки, являющиеся плечами измерительного моста постоянного тока. Разбаланс моста регистрируется прибором, отградуированным по кислороду. Датчик имеет ряд недостатков:

- измерения выполняются в диапазоне макроконцентраций;

- сложность аппаратурного оформления.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (а.с. СССР №705320 МПК G01 N 27/46) позволяющее измерять концентрацию кислорода в диапазоне от 1- 10^-3 до 0,1 % об. при температуре кулонометрической твердоэлектролитной ячейки (КТЭЯ) от 700 до 900°С. Этот диапазон измерений обусловлен принципиальными ограничениями КТЭЯ, работающей в кулонометрическом режиме. Работа этой ячейки происходит следующим образом. Чувствительный элемент выполнен в виде пробирки из твердого электролита на основе двуокиси циркония. На стенки и донышко пробирки на расстоянии около 50 мм от донышка нанесены газопроницаемые электроды из металла, не окисляющегося при рабочей температуре КТЭЯ. Рабочая температура поддерживается нагревателем. Внутрь чувствительного элемента подается со стабильным расходом анализируемый газ, снаружи чувствительный элемент омывается атмосферным воздухом. К электродам чувствительного элемента подключен источник напряжения и токоизмерительный прибор. При поступлении в КТЭЯ газа, содержащего кислород, ячейка работает в режиме кулонометрического извлечения кислорода. Сущность кулонометрического метода заключается в измерении тока перекачки кислорода из потока анализируемого газа со стабильным расходом через твердый электролит под действием напряжения, приложенного к электродам ячейки от внешнего источника питания.

В установившемся режиме концентрация кислорода Сд определяется

соотношением:

где Э_О2 - электрохимический эквивалент кислорода;

Q - расход анализируемого газа через чувствительный элемент;

I - ток переноса в цепи КТЭЯ. Недостатки этого способа:

- узкий диапазон измеряемых концентраций кислорода;

- необходимость точного поддержания расхода анализируемого газа с помощью стабилизатора расхода, что усложняет газовую схему и требует замены постоянных дросселей в процессе эксплуатации при измерении концентраций кислорода в газах с различной плотностью.

Целью полезной модели является расширение диапазона измерений концентрации кислорода в инертных газах и азоте и упрощение газового тракта датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ), работающая при температуре от 600 до 700°С, а регулировка поддержания расхода газа при входном давлении от 4 до 600 кПа осуществляется устройством тонкой регулировки, одновременно служащим конструктивным элементом крепления ПТЭЯ.

Сущность потенциометрического метода заключается в измерении разности потенциалов между рабочим и сравнительным электродами ПТЭЯ при стабильно поддерживаемой температуре в рабочей зоне ячейки.

На фигуре приведен чертеж датчика газоанализатора кислорода.

Анализируемый газ через штуцер "ВХОД ГАЗА" 1 поступает в рабочий канал корпуса 2, в котором установлен регулирующий орган в виде иглы 3, имеющий возможность вращательного возвратно-поступательного движения, причем рабочая поверхность конца иглы и внутренняя поверхность втулки 4 имеют участки одинаковой формы. Для повышения

надежности и точности регулирования игла выполнена из твердого металла, а втулка - из пластичного металла.

Для обеспечения герметичности игла уплотняется двумя резиновыми кольцами 5, а после настройки требуемого расхода фиксируется втулкой 6. С целью устранения натекания кислорода из окружающей среды через резиновые уплотнения большая часть анализируемого газа омывает кольца и отводится через штуцер "БАИПАС" 7. Анализируемый газ через зазор, образованный иглой и втулкой, поступает в керамическую трубку 8, загерметизированную прокладкой 9 и омывает внутреннюю рабочую поверхность ПТЭЯ 10. Сущность работы ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода на границе "металл - твердый электролит", в газовой фазе устанавливается равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Значение этого потенциала зависит от парциального давления кислорода в газовой фазе. Так как потенциал электрода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой - сравнительным.

Разность электродных потенциалов связана с парциальными давлениями кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде уравнением Нернста:

где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ПТЭЯ), В

R - газовая постоянная Больцмана;

Т - температура. К;

4F - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода;

P1 и P2 - парциальное давление кислорода соответственно в

сравнительной среде и анализируемом газе. Па. ПТЭЯ выполняется в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при температуре более 600°С кислородной проводимостью. Рабочей частью ПТЭЯ является донышко, на которое с обеих сторон нанесены пористые металлические электроды, рабочим электродом является внутренний электрод, электродом сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде металлических дорожек, выведенных на наружную поверхность ПТЭЯ. ЭДС снимается с контактных площадок с помощью подпружиненных контактов 11, закрепленных в держателе 12 изолирующей втулкой 13 и крепежной втулкой 14. С наружной стороны ПТЭЯ омывается за счет естественной конвекции окружающим воздухом, который является сравнительной средой. Анализируемый газ, поступив в ПТЭЯ, через отверстия в трубке 15, проточку и отверстие во втулке 16 и штуцер "ВЫХОД ГАЗА" 17 свободно выходит в атмосферу, чем достигается равенство давлений анализируемого газа и сравнительной среды, в связи с чем отношения парциальных давлений в формуле (2) можно заменить отношением концентраций:

где С и С_х - объемные доли кислорода соответственно в сравнительной среде и анализируемом газе.

Таким образом, поддерживая с заданной точностью температуру Т и, измерив значение Е, можно определить концентрацию кислорода в анализируемом газе С_х.

Герметизируется ПТЭЯ фторопластовой втулкой 18, резиновой 19 и фторопластовой 20 прокладками, которые поджимаются поступательным движением держателя 12 при закручивании гайки 21. От консольного

перемещения ПТЭЯ фиксируется резиновой 22 и фторопластовой 23 прокладками, уплотняющимися гайкой 24.

Температура рабочей поверхности ПТЭЯ создается нагревателем 25, к контактам 26 которого от внешнего регулятора температуры подается напряжение питания. Температура в рабочей зоне ПТЭЯ измеряется термопарой 27, закрепленной прокладкой 28 и держателем 29. Рабочая часть термопары устанавливается на расстоянии 1-2 мм от донышка ПТЭЯ, а корпус термопары фиксируется стопорным винтом 30.

Кронштейн 31 устройства тонкой регулировки газа и нагреватель 25 устанавливаются на основании 32, обеспечивающем соосную установку ПТЭЯ, нагревателя и термопары.

Изготовлены образцы предлагаемого датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 1 10^-6 до 100% об.

Датчик газоанализатора кислорода, содержащий нагреватель, термопару и чувствительный элемент, включенный в газовый тракт, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона измерений концентраций кислорода в инертных газах и азоте и упрощения газового тракта, чувствительный элемент выполнен в виде потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, а газовая схема содержит устройство тонкой регулировки расхода анализируемого газа, одновременно совмещенное конструктивно с потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой.