Устройство для измерения парциального давления кислорода
Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в составе газоанализаторов, предназначенных для измерения парциального давления кислорода в барокамерах, в барозалах, оксигенотерапии, при азотировании металлов и в других замкнутых объемах, давление сравнительной среды в которых изменяется в широких пределах. Цель полезной модели -упрощение газовой схемы устройства и исключение влияния изменения давления в сравнительной среде. Предлагаемое устройство состоит из потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, детали которой изготовлены из твердоэлектролитной керамики состава 0,85ZrO 2+0,15Y2О3 и соединены высокотемпературным клеем, имеющим температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близкий к ТКЛР твердоэлектролитной керамики. Эти детали образуют рабочую камеру с рабочим измерительным электродом и герметичную сравнительную камеру с электродом сравнения. Электроды выполнены из газопроницаемой пористой мелкодисперсной платины. Потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка размещена в нагревателе, температура в котором измеряется термопарой, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется внешним регулятором температуры. Используя две поверочные газовые смеси, концентрации кислорода в которых отличается не менее чем в два раза, устанавливают рабочую температуру (634±2)°С (907 К), затем осуществляется электрохимическое удаление кислорода из сравнительной камеры и дальнейшее дозирование в
нее кислорода с парциальным давлением 5,03 кПа, которое сохраняется в течение 10 ч. Для проведения измерений газ из анализируемой среды подается в рабочую камеру, омывает рабочий измерительный электрод и сбрасывается в дренаж. Парциальное давление кислорода в анализируемой среде рассчитывается по формуле: 
где Px и P0 - парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа; 4F - количество электричества, необходимое для 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. Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом.
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в составе газоанализаторов, предназначенных для измерения парциального давления кислорода в барокамерах, оксигенотерапии, при азотировании металлов и в других замкнутых объемах, давление в которых изменяется в широких пределах.
Известно устройство для анализа состава газа (а.с. СССР №911298 МПК G 01 №27/46), которое предназначено для работы при меняющемся в широких пределах давлении. Устройство содержит установленные в анализируемой среде потенциометрическую измерительную и дополнительную твердоэлектролитные ячейки, выполненные каждая в виде обогреваемой емкости, разделенной на катодное и анодное пространство твердым электролитом. Анодное пространство потенциометрической измерительной ячейки контактирует с анализируемой средой, а катодное пространство соединено с анодным пространством дополнительной твердоэлектролитной ячейкой.
Под действием приложенного к электродам дополнительной твердоэлектролитной ячейки напряжения через твердый электролит переносятся ионы кислорода, которые разряжаясь, выделяются в анодном пространстве дополнительной твердоэлектролитной ячейки в виде газа, перетекающего в катодное пространство потенциометрической ячейки. Таким образом, в течение некоторого времени в катодном пространстве создается концентрация кислорода, в объемных долях равная практически единице.
Для получения возможности определения состава газа при изменяющемся в широких пределах давления, устройство снабжено регулятором массового расхода газа по давлению, соединенным с катодным пространством дополнительной ячейки и выполненным в виде
установленной вертикально в анализируемой среде обогреваемой емкости, открытой снизу и ограниченной сверху пневматическим сопротивлением, обеспечивающим необходимый расход анализируемого газа. Для исключения диффузии против потока газа (противодиффузию) катодное пространство измерительной ячейки соединено трубопроводом с анализируемой средой.
К недостаткам этого устройства следует отнести сложное аппаратурное оформление.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является датчик газоанализатора кислорода (Патент РФ 51228 МПК G 01 №27/00). В качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, работающая при температуре от 600 до 700°С. Сущность потенциометрического метода заключается в измерении разности потенциалов между рабочим и сравнительным электродами потенциометрической ячейки при стабильно поддерживаемой температуре в рабочей зоне ячейки. Ячейка выполняется в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при температуре более 600°С кислородоионной проводимостью. Рабочей частью ячейки является донышко, на которое с обеих сторон нанесены пористые металлические электроды из мелкодисперсной платины. Рабочим электродом является внутренний электрод, электродом сравнения - наружный. С наружной стороны ячейка омывается за счет естественной конвекции окружающим воздухом, который является сравнительной средой. Анализируемый газ, поступив в ячейку омывает рабочий электрод и свободно выходит в атмосферу.
Рассмотренный датчик газоанализатора кислорода позволяет измерять концентрацию кислорода в широком диапазоне (от 10-6 до 100% об.). Однако при измерении парциальных давлений кислорода, в случаях, когда давление сравнительной среды изменяется в широких пределах, датчик газоанализатора кислорода обладает большой погрешностью измерений.
Целью полезной модели является упрощение газовой схемы устройства и исключение влияния изменения давления в сравнительной среде.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, а парциальное давление на электроде сравнения создается путем пропускания через твердоэлектролитную ячейку определенного количества электричества.
На фигуре представлен чертеж устройства для измерения парциального давления кислорода.
Газ из анализируемой среды под давлением от 30 до 160 кПа через штуцер 1 "ВХОД ГАЗА" поступает в газовый тракт устройства. Фильтр 2 служит для очистки анализируемого газа от механических примесей, а пневматическое сопротивление (дроссель) 3 обеспечивает необходимый расход анализируемого газа через устройство. Далее газ через керамическую трубку 4 поступает в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку 5 (ПТЭЯ), детали которой изготовлены из твердоэлектролитной керамики состава 0,85ZrO2+0,15Y2 O3 и герметично соединены высокотемпературным клеем, имеющим температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близкий к ТКЛР твердоэлектролитной керамики. Эти детали образуют рабочую камеру 6 с рабочим измерительным электродом 7 и герметичную сравнительную камеру 8 с электродом сравнения 9. Электроды выполнены из газопроницаемой пористой платины, а токоотводы из платиновой проволоки выведены на контакты 10 и 11 соответственно.
Устройство также содержит нагреватель 12, температура в котором измеряется термопарой 13, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется внешним регулятором температуры.
Анализируемый газ омывает рабочий измерительный электрод 7 ПТЭЯ и сбрасывается в дренаж через штуцер 14 "ВЫХОД ГАЗА".
Для подтверждения промышленной применимости полезной модели приведен пример ее конкретной реализации, который не исчерпывает сущности заявляемого решения.
С помощью нагревателя нагревают ПТЭЯ до постоянной температуры в пределах от 600 до 900°С. В качестве рабочей температуры выбрана температура (634±2)°С (907 К), которая измеряется с помощью термопары. После установления температуры на этом уровне к рабочему измерительному электроду ПТЭЯ поочередно подается поверочная газовая смесь (ПГС) кислород-азот с объемной долей кислорода 9,08 и 99,47% и для каждой концентрации ПГС измеряется ЭДС E1 и Е2 на контактах 10 и 11. Используя эти данные рассчитывают значение температуры ПТЭЯ по следующей формуле:
где Т - рабочая температура ПТЭЯ, К;
E 1 и E2 - ЭДС ПТЭЯ при подаче первой и второй ПГС, соответственно, В;
C1 и С2 - объемная доля кислорода в первой и второй ПГС, соответственно, %.
Рассчитанная температура ПТЭЯ оказалась ниже рабочей на 26 К. С помощью регулировочных органов регулятора температура была повышена на 26 К. При этой температуре поочередно подавались обе ПГС и были измерены ЭДС E1 и Е2 и вновь рассчитана температура ПТЭЯ. Температура оказалась на 1 К выше рабочей, что соответствует норме. При этом температура, измеренная термопарой, на 27 К выше рабочей.
После установления рабочей температуры производится электрохимическое извлечение кислорода из сравнительной камеры ПТЭЯ, для чего к электродам ячейки от внешнего источника тока прикладывается напряжение 0,65 В (плюс к рабочему измерительному электроду). Начальный
ток через ячейку был равен 2 мА, поэтому извлечение кислорода прекращается, когда ток становится меньше 0,002 мА.
После электрохимического извлечения кислорода в сравнительную камеру для создания известного парциального давления дозируется кислород путем пропускания определенного количества электричества. Дозирование кислорода проводится при постоянном значении тока, равном 0,5 мА, в течение 32 с, в результате чего в сравнительной камере ПТЭЯ создается парциальное давление кислорода 5,03 кПа, величина которого сохраняется в течение 10 ч. По истечение этого времени, или, если устройство было отключено раньше этого времени, при следующем включении требуется выполнение процедуры электрохимического извлечения кислорода из сравнительной камеры и последующего дозирования кислорода для создания сравнительного парциального давления 5,03 кПа значение которого подставляется в следующую формулу:
где Px и P 0- парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа;
4F - количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль;
Е - ЭДС ПТЭЯ, В;
R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К).
Изготовлены опытные образцы устройства для измерения парциального давления кислорода. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения парциального давления кислорода в диапазоне от 5 до 25 кПа.
Устройство для измерения парциального давления кислорода, содержащее нагреватель, термопару и чувствительный элемент в виде потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, отличающееся тем, что детали ячейки образуют две камеры: рабочую камеру, в которую поступает газ из анализируемой среды, и герметичную сравнительную камеру, в которой создается известное парциальное давление кислорода, причем рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки задается посредством использования двух поверочных газовых смесей, концентрации кислорода в которых отличаются не менее чем в 2 раза, а парциальное давление кислорода в анализируемой среде рассчитывают по формуле
где Рх и Р 0 - парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа;
4F - количество электричества, необходимое для 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.
