Устройство для измерения концентрации кислорода

Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения.

Цель полезной модели - расширение нижнего предела измерений концентрации кислорода в инертных газах и азоте и упрощение конструкции.

Предлагаемое устройство для измерения концентрации кислорода содержит нагреватель, термопару и пробирку из твердого электролита, обладающую при температуре от 950 до 1100 К кислородоионной проводимостью.

Новым является то, что в качестве датчика используется кулонометрическая ячейка с электродами из порошка мелкодисперсной платины, нанесенными на внутреннюю и внешнюю часть пробирки состава 0,85ZrO ₂+0,15Y₂O₃ на расстоянии (50±5) мм.

Предлагаемое решение позволяет расширить диапазон измерений в сторону низких концентраций от 0,6·10^-4 до 0,1% об.

Изготовлены образцы предлагаемого устройства. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 0,6·10^-4 до 0,1% об., а проведенные испытания предлагаемого устройства показали высокую надежность в работе.

Намечен серийный выпуск предлагаемого устройства в составе приборов аналитического контроля.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом.

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

Известен электрохимический сенсор прямого определения кислорода в газовой среде на основе газодиффузионных электродов с никель-кобальтовым катализатором (А.А.Джамбек, О.И.Джамбек, Ф.В.Макардей. Электрохимический сенсор на основе газодиффузионного электрода NiCo₂O₄ Вестник ОГУ, том 10. выпуск 2, 2005, с.108-112).

Конструктивно лабораторный образец сенсора представляет собой параллелепипед, боковыми гранями которого являются два кислородных газодиффузионных электрода с активным слоем на основе никель-кобальтового катализатора. Межэлектродное пространство заполнено 30% (масс) водным раствором КОН. Между электродами располагается капилляр окисло-ртутного электрода сравнения, относительно которого задается потенциал индикаторного электрода.

Кривая зависимости величины плотности тока от объемного содержания кислорода в смеси описывается уравнением гиперболы в области концентраций 2-100% (об.), а погрешность определения концентрации кислорода в газовой смеси составляет 0,5-2% (об.) в зависимости от величины концентрации.

Недостаток рассмотренного электрохимического сенсора:

- нижний предел измерения ограничен велечиной 2% (об);

- невысокая точность измерения.

Известен также кулонометрический датчик для измерения концентрации кислорода со структурой "насос-преобразователь" (А.Г.Козлов, А.Н.Удод. Сравнительный анализ метрологических характеристик различных типов газовых датчиков на твердых электродах. Датчики и системы, №1 - 2006 г., с.55-62). При высоких температурах от 673 до 1273 К электрическое поле в твердом электролите между электродами создается с помощью источника тока, что обеспечивает постоянный поток ионов через твердый электролит и позволяет в качестве выходного параметра датчика использовать период протекания ионного тока через твердый электролит, а не количество электричества. Режим работы датчика циклический. В начале измерения камера через диффузионный барьер заполняется анализируемым газом до выравнивания давления этого газа внутри и вне камеры. При полном удалении анализируемого газа из камеры напряжение на электродах датчика резко повышается, что служит моментом окончания откачки. Измерив время откачки анализируемого газа из камеры, по току через твердый электролит и известному объему камеры, можно определить концентрацию кислорода в анализируемом газе.

К недостаткам датчика следует отнести конструктивную сложность, что сдерживает их широкое применение.

Целью полезной модели является расширение диапазона измерений в сторону низких концентраций от 0,6·10^-4 до 0,1% об.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве датчика используется кулонометрическая твердоэлектролитная ячейка (КТЭЯ), выполненная в виде пробирки из керамики состава 0,85ZrO ₂+0,15Y₂O₃, кристаллическая решетка которой содержит кислородоионные вакансии, обеспечивающие движения потоков ионов кислорода вдоль силовых линий электрического поля при температуре керамики от 950 до 1100 К. С внутренней и внешней стороны пробирки нанесены газопроницаемые платиновые электроды.

Кислород сорбируется на внутреннем электроде и диссоциирует на атомы, которые ионизируются за счет электронов платины и под действием электрического поля, создаваемого источником тока постоянного напряжения, проходит через твердоэлектролитную керамику. Далее ионы кислорода разряжаются на внешнем электроде и десорбируются в газовое пространство, объединяясь в молекулы, а в электрической цепи возникает ток переноса ионов кислорода, фиксируемый токоизмерительным прибором.

В соответствии с законом Фарадея скорость выделения кислорода - определяется соотношением:

где I - ток переноса ионов кислорода, А;

М - молярная масса кислорода, кг/моль;

n·F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль;

t_i=0,999 - ионное число переноса.

При подаче во внутренний объем пробирки анализируемого газа при стабильном расходе концентрация кислорода будет равна:

где С - массовая концентрация кислорода в анализируемом газе, кг/м³;

Q - объемный расход анализируемого газа, м³/с.

Рассмотрев изложенное, можно сделать вывод, что сущность кулонометрического метода заключается в измерении тока переноса ионов кислорода из потока анализируемого газа со стабильным расходом через

твердый электролит под действием напряжения, приложенного к электродам КТЭЯ от внешнего источника постоянного тока. На фигуре приведен чертеж предлагаемого устройства.

Анализируемый газ через штуцер "ВХОД ГАЗА" 1 по керамической трубке 2 поступает в пробирку 3 и омывает внутренний электрод 4, который вместе с внешним электродом 5 и твердым электролитом пробирки 3 состава 0,85ZrO₂+0,15Y ₂O₃ образуют при температуре (1023±50)K кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку. Электроды выполнены из порошка мелкодисперсной платины и нанесены на внутреннюю и внешнюю часть донышка пробирки на расстоянии (50±5) мм. С наружной стороны КТЭЯ омывается за счет естественной конвекции окружающим воздухом. Анализируемый газ через отверстия в установочном узле 6 и штуцер 7 "ВЫХОД ГАЗА" свободно выходит в атмосферу. Конструкция установочного узла 6 обеспечивает герметизацию деталей газового тракта и КТЭЯ. Токоотводы от внутреннего и внешнего электродов выполнены в виде металлических дорожек и выведены на контакты 8 и 9 соответственно. К контактам 8 и 9 последовательно подключаются (на фигуре не показано) источник постоянного напряжения (0,5±0,005) В и измеритель тока, причем к внутреннему электроду (контакт 8) должен быть подключен "минус" источника, а к наружному электроду (контакт 9) - "плюс". При такой полярности источника питания кислород переносится из анализируемого газа в окружающий атмосферный воздух, создавая ток во внешней электрической цепи.

Таким образом, измерив ток переноса ионов кислорода, и поддерживая с заданной точностью объемный расход анализируемого газа, можно по формуле (2) определить концентрацию кислорода.

Температура в рабочей области КТЭЯ создается нагревательным устройством 10, к контактам 11 которого от внешнего регулятора температуры подается напряжение питания. Температура на расстоянии

1-2 мм от донышка пробирки измеряется термопарой 12 и поддерживается схемой регулятора температуры в пределах от 973 до 1073 К.

Изготовлены образцы предлагаемого устройства. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 0,6·10 ^-4 до 0,1% об., а проведенные испытания предлагаемого устройства показали высокую надежность в работе.

Намечен серийный выпуск предлагаемого устройства в составе приборов аналитического контроля.

Устройство для измерения концентрации кислорода, содержащее нагреватель, термопару и пробирку из твердого электролита, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде кулонометрической твердоэлектролитной ячейки с электродами из порошка мелкодисперсной платины, нанесенными на внутреннюю и внешнюю часть пробирки состава 0,85ZrO ₂+0,15Y₂O₃ на расстоянии (50±5) мм.