RU1784907C - Способ измерени парциального давлени кислорода - Google Patents

Abstract

Использование в аналитическом приборостроении дл  определени  пар цйального давлени  кислорода при посто нном и измен ющемс  давлений ана-, лизируемой средыо Сущность изобретени : способ измерени  осуществл ет с  с помощью потёнцйомётри ескбй кис«- лорб ДЬЙ бн1чой твердоэлектролитной ки, имеющей сравнительный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциальным давлением лорода, наШЗ {11уйс:  при посто нно температуре.. Дл  создани  из§ёстного парциального давлёнй  ки слорода в сравнительной камере, электрохимически заполн ют сравнительную камеру кислородом, герметично закрывают нительную камеру, измен ют пол рность приложенного напр жени , выдерживают врем , достаточное дли полного извлечени  кислорода, измер ют количество электричества, проте шего через твердоэлектролитную  чейку и рассчи тывают объем сравнительной камеры,пос- ле чего измен ют полйЭйоёТБ г11рй лджён- ного напр жени , пропускают Зёреэ  чейку заданное количестso электри чества. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к области аналитического приборостроени , в частности к газовому анализу,ии мо жет быть использовано дл  определе.- ни  парциального давлени  кислорода при посто нном и измен ющемс  давлении анализируемой среды.

Известен способ измерени  парци - ального давлени  кислорода,, основанный на применении потенциометричес- кой КИСЛОРОДНОЙ f, . .тверлоэлектролит- ной  чейки, один из электродов которой сравнительный, омываетс  атмосферным воздухом, а другой - рабочий, контактирует с анализируемым газом, . Давление анализируемой среды по это- ;му способу поддерживаетс  посто нным 1 и равным давлению сравнительной среды (атмосферному давлению), Аналити- . ческим сигналом при измерений служит ЭДС твердоэлектролитной  чейки занна  с парциальными давлени ми кисг .порода в сравнительной и анализируе- +ой средах формулой Нернста

RT . Р#г

E -PJ; (D

где E - ЭДС твердоэлектролитной  чейки;- R 7 газова  посто нна ; F - количество электричества, необходимое дл  электрохимического переноса 1 моль кислоро- да; . Р0 ро соответственно парциальные 2 , давлени  кислородаtв анализируе юй и сравнительной среДах , ,

8 атмбсферном воздухе посто нна концентраци  кислорода, поэтому дл  расчета его парциального давлени  необходимо измерение атмосферного давлени , что существенно усложн ет аппаратурное оформление при осуществ- лении способа и  вл етс  его недостатком ,

Известен также способ измерени  парциального давлени  кислорода,при котором в качестве сравнительной ере- ды выбираетс  гетерогенна  смесь (например, металл - оксид металла), парциальное давление которой зависит только от температуры.

Недостатками этого способа  ал ют- с  нестабильность гетерогенной среды во времени, необходимость применени  высоких рабочих температур (до ) дл  ускорени  установлени  равновесного состо ни  в системе электрод сравнени  - гетерогенна  смесь.

Наиболее близким к предлагаемому способу  вл етс  способ, при котором в качестве сравнительной среды исполь- зуетс  чистый кислород, подаваемый в сравнительную камеру потенциометри- ческой твердоэлектролитной  чейки из кулонометрической твердоэлектролитной  чейки; причем обе камеры (рабо- ча  и сравнительна ) последовательно соединены между собой. Этим достигаетс  равенство давлений сравнительной и анализируемой сред.

Существенным недостатком такого способа  вл етс  сложность аппаратурного офррмлени , т.к. дл  измерени  парциального давлени  требуётс   измеритель общего давлени  анализируе

мой среды„ Другой недостаток способа

невысока  точность измерений, что св - зано с наличием погрешности измерител  давлени .

5

0

25

30

35

о 45

50

55

-

Цель изобретени  - повышение точности Измерени  и упрощение аппаратурного оформлени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что дл  создани  известного парциального давлени  кислорода в сравнительной камере подают на электроды  чейки посто нное напр жение в пол рное- | ти: плюс на сравнительный электрод, выдерживают врем , достаточное дл  заполнени  сравнительной камеры кислородом , герметично закрывают-сравнительную камеру, измен ют пол рность приложенного напр жени , выдерживают врем , достаточное дл  полного извле- чени  кислорода, одновременно измер ют количество электричества, протекшего через твердоэлектролитную  чейку , и в соответствии с законами Фа- раде  и Менделеева-Клапейрона рассчитывают объем сравнительной камеры. После этого измен ют пол рность приложенного напр жени , пропускают через  чейку количество электричества , необходимое дл  создани  заданного парциального давлени  кислорода, и приступают к измерени м парциального давлени  кислорода в анализируемой среде.

Посто нное напр жение, прилагаемое к электродам, выбирают из диапазона 0,5-1,2 В. Врем , достаточное дл  заполнени  сравнительной камеры кислородом рассчитывают, исход  из объема сравнительной камеры и ее температуры , в соответствии с законами Фараде  и Менделеева-Клапейрона. Врем , достаточное дл  полного извлечени  кислорода, определ ют по ЭДС на электродах при разомкнутой токовой цепи, котора  должна быть не менее , чем на 100 мВ больше первоначальной . Врем , достаточное дл  полного извлечени  кислорода, определ ют по току  чейки, не превышающему 0,00t начального тока.

На чертеже представлена схема YCTT ройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит потенциомет- рическуй твердоэлектролитную  чейку, выполненную в виде пробирки 3 из твердого кислородоионного электролита. На наружную и внутреннюю поверхности пробирки нанесены металлические электроды (5-рабочий и 6-сравнительный). К электродам через переключатель с положени ми 11 и 12 подключены измеригель ЭДС 9 и источник тока 10. К тверлоэлектро литной пробирке 3 rep- j метично приварен капилл р 7, который используетс  дл  удобства герметизации . Объем капилл ра пренебрежимо мал по сравнению с объемом сравнительной камеры 4, Капилл р 1 можно герметично закрывать крышкой 8. В рабочую камеру 2 твердоэлектролитной  чейки поступает анализируемый газ.

Рассмотрим работу устройства, розможные услови  работы устройства

Способ осуществл етс  следующим образом.

При открытом капилл ре, на электроды подаетс  посто нное напр жение 5 (0,7 В) от источника 10 в пол рности: плюс к внутреннему сравнительному электроду , при этом ток, протекающий через твердый электролит, был на уровне 1C мА. JQ После выдержки в течение 3 мин (при этом достигаетс  примерно t0-кратна  замена газа в сравнительной камере на кислород) можно считать, что достигнуто полное заполнение камеры чистым

температура от 600 до 900°С, прилага- 15 кислородом. После этого капилл р гер- емое напр жение от 0,5 до 1,2 Bt При экспериментах были выбраны следующие услови : температура 700°С; напр жение 0,7 Bj материал твердоэлектролитной пробирки и капилл ра Zr Гй + МО моль% YI 0$; диаметр пробирки 0,5 см; длина CMJ диаметр капилл ра см; длина 3 см; электроды из .платины.„

метично запираетс , измен ют пол р ность приложенного напр жени  и записывают значение тока на самописец с движущейс  лентой, Запись ведут до

20 тех пор, пока ток не станет менее 0,001 от первоначального значени . При расчете по диаграммной ленте оказалось , что количество электричества равно 0,596 А-с, что дает следующий

6

j

Способ осуществл етс  следующим образом.

При открытом капилл ре, на электроды подаетс  посто нное напр жение 5 (0,7 В) от источника 10 в пол рности: плюс к внутреннему сравнительному электроду , при этом ток, протекающий через твердый электролит, был на уровне 1C мА. JQ После выдержки в течение 3 мин (при этом достигаетс  примерно t0-кратна  замена газа в сравнительной камере на кислород) можно считать, что достигнуто полное заполнение камеры чистым

кислородом. После этого капилл р гер-

метично запираетс , измен ют пол р ность приложенного напр жени  и записывают значение тока на самописец с движущейс  лентой, Запись ведут до

тех пор, пока ток не станет менее 0,001 от первоначального значени . При расчете по диаграммной ленте оказалось , что количество электричества равно 0,596 А-с, что дает следующий

объем сравнительной камеры:

„ . р. . гЦЛ ЭД|:й«. ..,., с„з.

. I

Следующей операцией  вл етс  соз- 30 ПРИ измерении парциального давлени 

в обогащенном кислородом воздухе при измен ющемс  общем давлении, исход  из услови  м вШизации погрешностей и неравенства ЭДС  чейки нулю, выбирание в герметично закрытой сравнительной камере заданного парциального давлени  кислорода, дл  чего измен ют пол рность приложенного напр жени  и пропускают через  чейку расчетное количество электричества Значение парциального давлени  кислброда в сравнительной камере выбирают в зависимости от того, какие задачи трубу- етс  решать при измерени х. Например,

рают парциальное давление кислорода 35 в сравнительной камере на уровне 100 мм рт.ст. Тогда,количество электричества , которое следует пропустить через твердый электролит, составит

40

I-t

Paito-v-To 10С4-9б5П ЬС4128-.73 1б п- пй1о « ,.

- .-.ir-jx- ---.. - .и w« 7 - п Мл г А С.

VO-T-PO 22,5 los-973,t5-76o и.иою   с.

Таким образом, в сравнительной камере создано известное парциальное давление кислорода и можно приступать к измерени м парциального давлени  кислорода в анализируемой среде, как обычно с помощью потенциометрической двердоэлёктролитной  чейки. Дл  эт.о- tro анализируемый газ подают к рабоче-„ электроду (или  чейку погружают в анализируемый гёз), измер ют ЗДС  чей-, ки, котора  св зана с парциальными давлени ми кислорода в анализируемой и сравнительной средах формулой Нерн-с ста

RT л §ч

Е

тг

In

рают парциальное давление кислорода в сравнительной камере на уровне 100 мм рт.ст. Тогда,количество электричества , которое следует пропустить через твердый электролит, составит

где R - газова  посто нна ; Рк- парциальное давление кислорода в анализируемой среде. Из формулы Нернста следует

4FE

RT

.izp( «г)

.Граничные значени  параметров работы , приведенные по Формуле изобретени , определены опытным путем, исход  из услови  сохранени  погрешности не более ±2 отнД. Оказалось, что при поддержании на электродах  чейки в пределах 0,5-t В, отличии ЭДС  чейки от первоначальной при извлечении кислорода не менее 100 мВ и токе  чейки при извлечении кислорода менее

0,001 от первоначального, погрешность .измерени  не превышала ±2 отн..При не соблюдении указанных условий пог- рещность возрастала. Во всех экспериментах дл  оценки действительного знамени  парциального давлени  кислорода в анализируемой среде использовали проверочные газовые смеси и измерители давлени  типа САПЛИР. Относительна  погрешность измерени  в этих случа х была в пределах ±0,5-±1%«

Использование предлагаемого способа измерени  парциального давлени  кислорода обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: повышение точности измерени  вследст- вие повышени  точности создани  и под- держани  заданного парциальнд го Ја влемерении ЭДС кислородоионной твердо- электролитной  чейки, имеющей сравни« тельный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциаль- ным давлением кислорода, отлича щийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, используют герметичную камеру сравнени , а перед на10 чалом измерений на  чейку подают напр жение 0,5-1,2 электрохимически извлекают кислород из сравнительной камеры, причем о полноте извлечени  кислорода суд т по падению тока через

15  чейку не менее чем 0,001 начального ,тока или по значению ЭДС на электроды при размыкании цепи, которое должно быть не менее чем на 100 мВ выше первоначального, затем измен ют пол р

держзни  заданного псзуцис1доп -м « аолс ii&po iu-.u...i-... - - - ,ни  кислорода в сцавнительной среде, уп- 20 ность приложенного напр жени  и про ... .., л ... ,,nwAw t/vr попач aufMUV КГУПИЧвСТВО ЭЛ6К1

рощение аппаратурного оформлений,.т.к. при измерени х не требуютс  дополнитель ные приборы дл  измерени  общего давлени ./ Фррмула изобретени 

Способ измерени  паоциального да в- лени  кислорода, заключающийс  в из2 , /.

25

пускают через  чейку количество элекг тричества, необходимое дл  создани  заданного парциального давлени  кислорода в сравнительной камере.

ИМ.

Q

8

мерении ЭДС кислородоионной твердо- электролитной  чейки, имеющей сравни« тельный и рабочий электроды и сравнительную камеру с известным парциаль- ным давлением кислорода, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, используют герметичную камеру сравнени , а перед началом измерений на  чейку подают напр жение 0,5-1,2 электрохимически извлекают кислород из сравнительной камеры, причем о полноте извлечени  , кислорода суд т по падению тока через

 чейку не менее чем 0,001 начального ,тока или по значению ЭДС на электроды при размыкании цепи, которое должно быть не менее чем на 100 мВ выше первоначального, затем измен ют пол рii&po iu- .u...i-... - - - ность приложенного напр жени  и проность приложенного напр жени  и проnwAw t/vr попач aufMUV КГУПИЧвСТВО ЭЛ6К1

пускают через  чейку количество элекг тричества, необходимое дл  создани  заданного парциального давлени  кислорода в сравнительной камере.

ИМ.

ил,