Устройство для измерения расхода кислородосодержащих газов
Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в приборах для газового анализа, для технологического контроля на производствах, связанных с изготовлением и использованием газовых смесей. Цель полезной модели - упрощение конструкции и повышение точности измерения расхода кислородосодержащих газов. Предлагаемое устройство состоит из потенциометрической и кулонометрической ячеек, конструктивно выполненных на трубке из твердого электролита состава 0,85ZrO 2+0,15Y2O3 и нагревателя, создающего в рабочей части ячеек постоянную температуру в пределах от 900 до 1200 К. Температура рабочей части ячеек измеряется с использованием в качестве термочувствительного элемента электродов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и устанавливается равной (1008±2) К при подаче на вход устройства двух поверочных газовых смесей с концентрацией кислорода, отличающейся более чем в два раза. Для извлечения из анализируемого газа влаги на входе устройства установлен дегидратор, заполненный фосфорным ангидридом. Используя в качестве сравнительной среды окружающий атмосферный воздух с известной концентрацией кислорода, поддерживая постоянную температуру в рабочей части электродов твердоэлектролитных ячеек и измерив ЭДС потенциометрической ячейки и ток откачки кулонометрической ячейки можно рассчитать расход анализируемого газа по формуле: 
где Q - расход анализируемого газа, м 3/с; I - ток откачки кислорода кулонометрической твердоэлектролитной ячейкой, А; М - молярная масса кислорода, кг/моль; 4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль; Е - ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, В; R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К); Т - рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, К; С0 - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе, кг/м3 . Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом.
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в приборах для газового анализа, для технологического контроля на производствах, связанных с изготовлением и использованием газовых смесей.
Известен электронный мыльно-пленочный расходомер газа (http://www.boner.ru). Метод измерения расхода газа с помощью этого расходомера заключается в измерении времени прохождения мыльной пленки (пузырька) между контрольными отметками шкалы бюретки, через которую непрерывно подается измеряемый поток газа. Зная вместимость бюретки между контрольными отметками шкалы бюретки и время прохождения мыльной пленки (пузырька) между ними, определяется расход газа. Для приведения расхода газа к нормальным условиям применения и введения поправок с целью исключения систематических составляющих погрешности необходимо дополнительно измерить атмосферное давление и температуру окружающего воздуха.
К недостаткам мыльно-пленочного расходомера газа следует отнести:
- процедура проведения измерения расхода требует выполнения ручных операций, что не позволяет автоматизировать процесс измерений;
- при вычислениях необходимо вносить поправочный коэффициент, учитывающий изменение объема газа за счет его увлажнения в бюретке мыльно-пленочного расходомера;
- на результат измерений влияет изменение вместимости бюретки за счет объема пленки раствора, покрывающей внутреннюю поверхность бюретки.
Для измерения расхода газа широко применяются расходомеры постоянного перепада давления - ротаметры (В.П.Тхоржевский, "Автоматический анализ химического состава газа", М., Химия, 1969). Конструктивно ротаметр состоит из прозрачной конусной трубки,
обращенной узким концом к низу, и поплавка заданной массы и формы с косыми прорезями. При подаче анализируемого газа поплавок вращается вокруг своей продольной оси проходящим потоком газа. Благодаря этому он не скользит по стенкам трубки при движении газового потока. Перепад давлений по обе стороны поплавка остается практически постоянным. При увеличении расхода газа поплавок поднимается вверх, а при уменьшении - опускается вниз. Следовательно, положение поплавка в соответствии с нанесенной на шкале ротаметра градуировкой определяет величину расхода газового потока.
Поплавковые ротаметры имеют следующие недостатки:
- при работе с ротаметром следует вносить поправки на изменения плотности, давления и температуры;
- низкая точность измерений;
- плохая воспроизводимость.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующие способ измерения расхода кислородосодержащих газов (патент РФ 2242722 МПК G 01 F 1/64).
Устройство состоит из потенциометрической и кулонометрической твердоэлектролитных ячеек, выполненных в виде пробирок из твердого электролита состава 0,85ZrO2+0,15CaO. На внутренней и внешней поверхности пробирок нанесены методом вжигания металлические электроды из платины. Пробирки помещены в нагреватель для разогрева рабочей части ячеек до температуры 900-1200 К, обеспечивающий кислородоионную проводимость электролита. Торцы пробирок закреплены в установочных узлах и загерметизированы от доступа кислорода из окружающего атмосферного воздуха к внутренним электродам ячеек. Установочные узлы соединены между собой газовым трактом в виде трубки из нержавеющей стали. Измерение температуры осуществляется термопарой, установленной у наружных электродов ячеек. Термопара и нагреватель
подключены к регулятору температуры, с помощью которого поддерживается заданная температура.
Для измерения расхода поток анализируемого газа вначале направляют в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, температуру которой поддерживают постоянной, измеряют электродвижущую силу этой ячейки, после чего анализируемый газ направляют в кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку, полностью удаляют кислород из анализируемого газа путем откачки под действием приложенного напряжения к электродам кулонометрической твердоэлектролитной ячейки.
Измерив электродвижущую силу потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, ток откачки кислорода кулонометрической твердоэлектролитной ячейкой по известной абсолютной температуре потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и концентрации кислорода в окружающем атмосферном воздухе, рассчитывается расход анализируемого газа.
Рассматриваемое устройство имеет недостатки:
- сложное конструктивное исполнение установки термопары в зоне электродов ячеек;
- точность измерения расхода газа зависит от содержания влаги в анализируемом газе;
- сложное аппаратное исполнение конструкции, состоящей из потенциометрической и кулонометрической твердоэлектролитных ячеек, выполненных в виде пробирок.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции, повышение точности измерения расхода кислородосодержащих газов.
Поставленная цель достигается тем, что устройство имеет потенциометрическую и кулонометрическую твердоэлектролитные ячейки, конструктивно размещенные на одной твердоэлектролитной трубке, а на
входе газового тракта установлен дегидратор для извлечение влаги из анализируемого газа.
На фигуре приведен чертеж предлагаемого устройства.
Поток анализируемого газа, расход которого необходимо измерить, поступает на штуцер 1 "ВХОД ГАЗА", конструктивно совмещенный с дегидратором 2, заполненного гигроскопическим веществом - фосфорным ангидридом. Далее осушенный газ через керамическую трубку 3 поступает в рабочую часть потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 4 (ПТЭЯ), омывая рабочий электрод 5 ячейки. Наружный электрод 6 ПТЭЯ является сравнительным и контактирует с окружающим атмосферным воздухом. За счет разности концентрации кислорода в анализируемом газе и окружающем атмосферном воздухе на электродах ПТЭЯ возникает электродвижущая сила (ЭДС), величина которой определяется уравнением Нернста:
где E - ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки;
Т - рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки;
R - молярная газовая постоянная;
4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода;
С0 и С x - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе и в анализируемом газе соответственно.
Затем анализируемый газ проходит рабочую часть кулонометрической твердоэлектролитной ячейки 7 (КТЭЯ), контактирует с рабочим электродом 8 КТЭЯ и далее через отверстие в установочном узле и штуцер газа 9 "ВЫХОД ГАЗА" выходит в окружающий атмосферный воздух. Наружный электрод 10 КТЭЯ также омывается атмосферным воздухом.
Внутренние электроды ПТЭЯ и КТЭЯ выведены на контакты 11 и 12, а наружные - на контакты 13 и 14 соответственно.
Под действием напряжения, приложенного к электродам КТЭЯ от внешнего источника постоянного тока осуществляется откачка кислорода из анализируемого газа в окружающий атмосферный воздух. При этом в электрической цепи устанавливается ток откачки кислорода, величина которого измеряется подключаемым к контактам 12 и 14 внешним токоизмерительным прибором. В этом случае концентрация кислорода в анализируемом газе в соответствии с законом Фарадея определяется из уравнения:
где I - ток откачки кислорода;
М - молярная масса кислорода;
Q - расход анализируемого газа.
На основании уравнений (1) и (2) можно записать
Решая уравнение (3) относительно Q получим:
Из уравнения (4) следует, что при постоянной температуре твердого электролита и известной концентрации кислорода в окружающем атмосферном воздухе по измерению тока откачки КТЭЯ и ЭДС ПТЭЯ можно с достаточной точностью измерить расход анализируемого газа.
В качестве материала для изготовления ячеек используется твердый электролит состава 0,85ZrO2+0,15Y 2O3, электроды выполнены методом вжигания из мелкодисперсной платины. Трубка из твердого электролита 15 помещена в нагреватель 16 для разогрева от внешнего регулятора температуры рабочей части ячеек до температуры от 900 до 1200 К, обеспечивающей кислородоионную проводимость твердого электролита. В
качестве термочувствительного элемента используются электроды ПТЭЯ 5 и 6, на которые подается напряжение высокой частоты 20 кГц от внешнего генератора. Разделение сигналов температуры (переменное напряжение) и концентрации (постоянное напряжение) осуществляется входным устройством регулятора температуры.
Торцы твердоэлектролитной трубки закреплены в установочных узлах 17 и 18 и загерметизированы от доступа кислорода из окружающего атмосферного воздуха к внутренним электродам ячеек.
Для подтверждения промышленной применимости полезной модели приведен пример ее конкретной реализации, который не исчерпывает сущности заявляемого решения.
Устройство функционирует следующим образом. С помощью нагревателя 16 нагревают рабочую область ПТЭЯ до постоянной температуры в пределах от 900 до 1200 К. Для точного установления температуры (1008±2) К к штуцеру "ВХОД ГАЗА" поочередно подается поверочная газовая смесь (ПГС) кислород-азот с объемной долей кислорода 1,0 и 10,0% и каждый раз измеряется ЭДС ПТЭЯ. Из этих данных рабочая температура рассчитывается по формуле:
где Т - рабочая температура ПТЭЯ, К;
E 1 и Е2 - ЭДС ПТЭЯ при подаче первой и второй ПГС, соответственно, В;
C1 и С2 - объемные доли кислорода в первой и второй ПГС, соответственно, %.
С помощью регулятора температуры устанавливается рабочая температура (1008±2) К. Если после первой регулировки температура оказалась ниже или выше процедура установки рабочей температуры повторяется до получения результата с необходимой точностью.
Температура КТЭЯ также принимает значение близкое к 1008 К, т.к. электроды ПТЭЯ и КТЭЯ находятся в одной температурной зоне.
Для проведения измерений расхода анализируемого газа к штуцеру "ВХОД ГАЗА" подключается переменный дроссель тонкой регулировки, с помощью которого устанавливается расход газа через ПТЭЯ и КТЭЯ. К контактам 12 и 14 КТЭЯ последовательно подключаются источник постоянного тока напряжением 0,6 В и измеритель тока, причем к внутреннему электроду (контакт 12) должен быть подключен "-" источника, а к наружному электроду (контакт 14) "+". При такой полярности источника осуществляется откачка кислорода из анализируемого газа.
Измерив ток откачки кислорода кулонометрической ячейкой I, ЭДС потенциометрической ячейки Е по формуле (4) рассчитываем расход анализируемого газа.
Изготовлен образец предлагаемого устройства. В качестве испытываемого газа использовались азот и аргон с содержанием кислорода 1 и 3,1·10-3%. Измерения проводились в окружающем атмосферном воздухе.
Поставленные экспериментальные работы сводились к сличению расходов, определяемых предлагаемым устройством и с помощью газобарабанного счетчика ГСБ-400. погрешность которого составляет ±0,5%.
Полученные результаты при измерении расхода газа от 50 до 300 см3 /мин имеют хорошую сходимость, не хуже 1%.
Применение предлагаемого устройства позволит автоматизировать процесс измерения расхода газа, что не достигается известными устройствами, поскольку применяемые для этих целей средства требуют ручных операций.
Устройство для измерения расхода кислородосодержащих газов, содержащее нагреватель, потенциометрическую и кулонометрическую твердоэлектролитные ячейки, отличающееся тем, что на входе устройства установлен дегидратор, заполненный фосфорным ангидридом, а потенциометрическая и кулонометрическая твердоэлектролитные ячейки конструктивно выполнены на трубке из твердого электролита состава 0,85ZrO 2+0,15Y2О3, причем температура электродов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки устанавливается равной (1008±2)К путем подачи на вход устройства поочередно двух поверочных газовых смесей с концентрацией кислорода, отличающейся более чем в два раза, а расход анализируемого газа рассчитывается по формуле:
где Q - расход анализируемого газа, м 3/с;
I - ток откачки кислорода кулонометрической твердоэлектролитной ячейкой, А;
М - молярная масса кислорода, кг/моль;
4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль;
Е - ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, В;
R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
Т - рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, К;
С0 - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе, кг/м3 ,
при этом рабочая температура поддерживается с использованием в качестве термочувствительного элемента электродов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки.
