RU2536315C1 - Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium - Google Patents
Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2536315C1 RU2536315C1 RU2013127031/28A RU2013127031A RU2536315C1 RU 2536315 C1 RU2536315 C1 RU 2536315C1 RU 2013127031/28 A RU2013127031/28 A RU 2013127031/28A RU 2013127031 A RU2013127031 A RU 2013127031A RU 2536315 C1 RU2536315 C1 RU 2536315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- input
- oxygen
- output
- channel
- Prior art date
Links
Landscapes
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров газовых сред, в частности содержащих кислород и водород.The invention relates to measuring equipment and can be used to control parameters of gaseous media, in particular containing oxygen and hydrogen.
Известно устройство «Система контроля горючих и взрывоопасных газов на основе твердоэлектролитных керамических чувствительных элементов» авторов П.Н. Мартынова, М.Е. Чернова, А.Н. Стороженко, В.М. Шелеметьева, Р.П. Садовничего, А.С. Фомина [Известия вузов. Ядерная энергетика №4, 2011 стр.3-8], включающее два сенсора кислорода, подключенные к регистрирующим приборам, герметично соединенные с трубой, по которой осуществляется принудительная прокачка анализируемой газовой среды. Сенсоры кислорода, выполненные на основе твердоэлектролитных керамических чувствительных элементов, расположены в металлических корпусах, оборудованных нагревателями и термопреобразователями для поддержания постоянной температуры. На входе одного из сенсоров кислорода установлен входной каталитически активный элемент.A device is known "Control system of combustible and explosive gases based on solid electrolyte ceramic sensitive elements" authors P.N. Martynova, M.E. Chernova, A.N. Storozhenko, V.M. Shelemetyeva, R.P. Sadovnichy, A.S. Fomina [University News. Nuclear Energy No. 4, 2011, pp. 3-8], including two oxygen sensors connected to recording instruments, hermetically connected to a pipe through which the analyzed gas is forced to pump. Oxygen sensors based on solid electrolyte ceramic sensitive elements are located in metal cases equipped with heaters and thermal converters to maintain a constant temperature. An input catalytically active element is installed at the input of one of the oxygen sensors.
Недостатком известного устройства является сложность его использования в автономном режиме ввиду необходимости принудительной прокачки анализируемой газовой среды через канал, герметично соединенный с сенсорами кислорода, и невозможности измерения концентрации кислорода в присутствии водорода.A disadvantage of the known device is the difficulty of its use in offline mode due to the need for forced pumping of the analyzed gas medium through a channel hermetically connected to oxygen sensors, and the impossibility of measuring oxygen concentration in the presence of hydrogen.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является газоанализатор для определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой среде [патент РФ на изобретение №2293972, МПК G01N 27/12, 2004], включающий газовые сенсоры, подключенные к регистрирующим приборам, канал и каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала. В качестве газовых сенсоров используется входной сенсор водорода, установленный во входной части полости канала, выходные сенсоры водорода и кислорода, расположенные в выходной части полости канала. Входной и выходной сенсоры водорода, сенсор кислорода и каталитически активный элемент подключены, по меньшей мере, к одному источнику питания.The closest in technical essence to the claimed device is a gas analyzer for determining the concentration of oxygen in a hydrogen-containing gas medium [RF patent for the invention No. 2293972, IPC G01N 27/12, 2004], including gas sensors connected to recording devices, a channel and a catalytically active element, installed in cross section of the middle part of the channel cavity. As gas sensors, the input hydrogen sensor is used, which is installed in the input part of the channel cavity, and the output hydrogen and oxygen sensors located in the output part of the channel cavity. The input and output hydrogen sensors, the oxygen sensor and the catalytically active element are connected to at least one power source.
Недостатками указанного технического решения являются низкие быстродействие и чувствительность устройства, а также отсутствие защиты от ошибочных показаний, которые возникают при возможном изменении направления потока анализируемой газовой среды в канале, т.е. в случае, когда анализируемая газовая среда попадает в канал через выходную часть полости канала, вследствие чего определение истинной концентрации кислорода оказывается ошибочным.The disadvantages of this technical solution are the low speed and sensitivity of the device, as well as the lack of protection against erroneous readings that occur when a possible change in the flow direction of the analyzed gas medium in the channel, i.e. in the case when the analyzed gas enters the channel through the outlet of the channel cavity, as a result of which the determination of the true oxygen concentration is erroneous.
Задачей технического решения является исключение указанных недостатков, а именно повышение быстродействия и чувствительности, обеспечение защиты от ошибочных показаний устройства.The objective of the technical solution is to eliminate these drawbacks, namely increasing speed and sensitivity, providing protection against erroneous readings of the device.
Для решения поставленной задачи в устройстве, включающем канат, входной сенсор водорода, расположенный во входной части полости канала, входной каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала, выходной сенсор водорода и выходной сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала, причем сенсоры подключены к системе регистрации и управления, предлагается:To solve the problem in a device including a rope, an input hydrogen sensor located in the input part of the channel cavity, an input catalytically active element installed in a cross section of the middle part of the channel cavity, an output hydrogen sensor and an output oxygen sensor located in the output part of the channel cavity, moreover, the sensors are connected to the registration and control system, it is proposed:
- дополнительно снабдить устройство входным сенсором кислорода, поместив его во входной части полости канала;- additionally equip the device with an input oxygen sensor, placing it in the input part of the channel cavity;
- дополнительно снабдить устройство выходным каталитически активным элементом, установив его в верхней части полости канала над выходными сенсорами кислорода и водорода;- additionally equip the device with an output catalytically active element by installing it in the upper part of the channel cavity above the output oxygen and hydrogen sensors;
- входной и выходной каталитически активные элементы выполнить из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием;- input and output catalytically active elements to perform from highly porous cellular materials with a platinum coating applied to their surface;
- в качестве сенсоров водорода использовать твердоэлектролитный датчик концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики.- use a solid-electrolyte hydrogen concentration sensor with a ceramic sensor made of oxygen-conducting ceramics as hydrogen sensors.
Принципиальная схема устройства представлена на чертеже 1, на котором приняты следующие обозначения: 1 - входной каталитически активный элемент, 2 - входной сенсор водорода, 3 - входной сенсор кислорода, 4 - выходной каталитически активный элемент, 5 - выходной сенсор водорода; 6 - выходной сенсор кислорода, 7 - канал, 8 - нагреватель, 9 - электрические связи.A schematic diagram of the device is shown in Figure 1, which uses the following notation: 1 - input catalytically active element, 2 - input hydrogen sensor, 3 - input oxygen sensor, 4 - output catalytically active element, 5 - output hydrogen sensor; 6 - output oxygen sensor, 7 - channel, 8 - heater, 9 - electrical connections.
Устройство содержит: канал 7, расположенный под углом к горизонту, входной сенсор водорода 2 и входной сенсор кислорода 3, расположенные во входной части полости канала 7, входной каталитически активный элемент 1, установленный в полости канала 7 над входными сенсорами водорода 2 и кислорода 3, выходной сенсора водорода 5 и выходной сенсор кислорода 6, расположенные в полости канала 7 между входным 1 и выходным 4 каталитически активными элементами. Причем входной 1 и выходной 4 каталитически активные элементы выполнены из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием. В качестве входного сенсора водорода 2 и выходного сенсора водорода 5 использованы твердоэлектролитные датчики концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики. Входной сенсор кислорода 3 используется в качестве сигнализатора появления водорода в исследуемой газовой среде. Изменение сигнала входного датчика кислорода 3 происходит при появлении водорода в исследуемой газовой среде благодаря взаимодействию водорода и кислорода и сорбционным процессам на поверхности керамического чувствительного элемента входного датчика кислорода 3.The device comprises: a channel 7 located at an angle to the horizon, an input hydrogen sensor 2 and an input oxygen sensor 3 located in the input part of the cavity of the channel 7, an input catalytically active element 1 installed in the cavity of the channel 7 above the input sensors of hydrogen 2 and oxygen 3, the output hydrogen sensor 5 and the output oxygen sensor 6 located in the cavity of the channel 7 between the input 1 and output 4 catalytically active elements. Moreover, the input 1 and output 4 catalytically active elements are made of highly porous cellular materials with a platinum coating applied to their surface. As an input hydrogen sensor 2 and an output hydrogen sensor 5, solid electrolyte hydrogen concentration sensors with a ceramic sensing element made of oxygen-conducting ceramic were used. The input oxygen sensor 3 is used as a signaling device of the appearance of hydrogen in the studied gas medium. The change in the signal of the input oxygen sensor 3 occurs when hydrogen appears in the studied gas medium due to the interaction of hydrogen and oxygen and sorption processes on the surface of the ceramic sensitive element of the input oxygen sensor 3.
Такая конструкция устройства позволяет фиксировать появление сверхмалых концентраций водорода (~5×10-3% об.) в анализируемой газовой среде за интервал времени не более нескольких секунд. Установка выходного каталитически активного элемента, который производит каталитическое дожигание кислорода и водорода, обеспечивает корректную работу выходного сенсора кислорода и защиту от ошибочных показаний устройства.This device is designed to record the occurrence of ultra-low concentrations of hydrogen (~ 5 × 10 -3 vol.%) In the test gas environment in a time interval not longer than a few seconds. Installation of the output catalytically active element, which produces a catalytic afterburning of oxygen and hydrogen, ensures the correct operation of the output oxygen sensor and protection against erroneous readings of the device.
Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:
Анализируемая газовая среда входит в контакт с нагретыми до высокой температуры входным сенсором водорода 2 и входным сенсором кислорода 3, установленными во входной части полости канала 7. При этом входной сенсор кислорода 3 работает в режиме сигнализатора появления малых и сверхмалых концентраций водорода в анализируемой газовой среде. Концентрацию кислорода входным сенсором кислорода 3 в анализируемой газовой среде не определяют, так как этому измерению мешает присутствие водорода.The analyzed gas medium comes into contact with the upstream hydrogen sensor 2 and the upstream oxygen sensor 3 installed in the input part of the channel 7. In this case, the upstream oxygen sensor 3 operates in the mode of signaling the appearance of small and ultra-low concentrations of hydrogen in the analyzed gas medium. The oxygen concentration of the input oxygen sensor 3 in the analyzed gas medium is not determined, since the presence of hydrogen interferes with this measurement.
Далее анализируемая газовая среда за счет естественной конвекции, образуемой нагретыми до высокой температуры входными сенсорами водорода 2 и кислорода 3, и нагревателем 8, проходит в полости канала через входной каталитически активный элемент 1, выполненный, например, из высокопористых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием и нагретый с помощью нагревателя 8 до температуры, обеспечивающей, протекание каталитической реакции окисления водорода на его поверхности до паров воды с коэффициентом рекомбинации, равным единице.Further, the analyzed gas medium, due to natural convection formed by the inlet sensors of hydrogen 2 and oxygen 3 heated to a high temperature, and the heater 8, passes in the channel cavity through the inlet catalytically active element 1, made, for example, of highly porous materials coated with platinum coated and heated with a heater 8 to a temperature that ensures the occurrence of a catalytic oxidation of hydrogen on its surface to water vapor with a recombination coefficient equal to Diniz.
Затем анализируемая газовая среда входит в контакт с нагретыми до высокой температуры выходным сенсором водорода 5 и выходным сенсором кислорода 6, установленными в полости канала после входного каталитически активного элемента 1. При помощи электрических связей 9 сигналы с входных сенсоров водорода 2 и кислорода 3 и выходных сенсоров водорода 5 и кислорода 6 могут быть переданы на систему регистрации для определения концентрации водорода и кислорода в анализируемой газовой среде. Затем анализируемая газовая смесь покидает полость канала 7 через выходной каталитически активный элемент 4, причем выходной каталитически активный элемент 4 не оборудован нагревателем, а его нагрев осуществляется за счет нагретой газовыми сенсорами и входным каталитически активным элементом анализируемой газовой средой.Then, the analyzed gas medium comes into contact with the output hydrogen sensor 5 heated to a high temperature and the output oxygen sensor 6 installed in the cavity of the channel after the input catalytically active element 1. Using electrical connections, 9 signals from the input sensors of hydrogen 2 and oxygen 3 and output sensors hydrogen 5 and oxygen 6 can be transferred to the registration system to determine the concentration of hydrogen and oxygen in the analyzed gas medium. Then, the analyzed gas mixture leaves the cavity of the channel 7 through the output catalytically active element 4, and the output catalytically active element 4 is not equipped with a heater, and its heating is carried out due to the analyzed gas medium heated by gas sensors and the input catalytically active element.
Для предотвращения проникновения анализируемой газовой среды на выходной сенсор водорода 5 и выходной сенсор кислорода 6 через верхнюю часть канала 7 в ней устанавливается выходной каталитически активный элемент 4, который производит каталитическое дожигание кислорода и водорода в случае возможного изменения направления потока анализируемой газовой среды в канале и обеспечивает, таким образом, корректную работу выходного сенсора кислорода 6 и защиту от ошибочных показаний устройства.To prevent penetration of the analyzed gas medium to the output hydrogen sensor 5 and the output oxygen sensor 6 through the upper part of the channel 7, an output catalytically active element 4 is installed in it, which produces a catalytic afterburning of oxygen and hydrogen in the event of a possible change in the flow direction of the analyzed gas medium in the channel and ensures Thus, the correct operation of the output oxygen sensor 6 and protection against erroneous readings of the device.
Истинную концентрацию кислорода в анализируемой газовой среде определяют по соотношению:The true concentration of oxygen in the analyzed gas medium is determined by the ratio:
где
Пример конкретного выполнении устройстваAn example of a specific implementation of the device
Канал 1 выполнен из нержавеющей коррозионно-стойкой стали и расположен таким образом, что ось канала образует угол 90° с направлением горизонта.Channel 1 is made of stainless corrosion-resistant steel and is positioned so that the axis of the channel forms an angle of 90 ° with the horizontal direction.
В качестве входного 3 и выходного 6 сенсоров кислорода используются твердоэлектролитные датчики концентрации кислорода с гальванической концентрационной ячейкой на основе кислородопроводящего твердого электролита из частично стабилизированного диоксида циркония [Патент РФ №2298176, «Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода и способы его изготовления»].As input 3 and output 6 oxygen sensors, solid-state oxygen concentration sensors with a galvanic concentration cell based on an oxygen-conducting solid electrolyte made from partially stabilized zirconia are used [RF Patent No. 2298176, “Solid-Electrolyte Oxygen Concentration Sensor and Methods of Its Production”].
В качестве входного сенсора водорода 2 и выходного сенсора водорода 5 используются твердоэлектролитные датчики водорода для газовых и жидких сред с гальванической концентрационной ячейкой на основе кислородопроводящего твердого электролита из частично стабилизированного диоксида циркония, оснащенные камерой с постоянным давлением паров воды и водородопроницаемой мембраной [Патент РФ №90907, «Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред»]. При поступлении на вход устройства газовой смеси, содержащей 6 об.% водорода, показания газовых сенсоров были следующими:
Технический результат заключается в повышении быстродействия и чувствительности устройства, обеспечении защиты от ошибочных показаний устройства вследствие возможного изменения направления потока анализируемой газовой среды в полости канала.The technical result consists in increasing the speed and sensitivity of the device, providing protection against erroneous readings of the device due to a possible change in the flow direction of the analyzed gas medium in the channel cavity.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127031/28A RU2536315C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127031/28A RU2536315C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013127031A RU2013127031A (en) | 2014-12-20 |
RU2536315C1 true RU2536315C1 (en) | 2014-12-20 |
Family
ID=53278210
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013127031/28A RU2536315C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2536315C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2635711C1 (en) * | 2016-07-20 | 2017-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") | Device for measuring volume fraction and partial pressure of oxygen in gases |
RU189090U1 (en) * | 2019-02-21 | 2019-05-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Sensor for measuring the concentration of oxygen and hydrogen in inert, protective and oxidizing gas mixtures |
RU2802540C1 (en) * | 2023-03-29 | 2023-08-30 | Акционерное общество "Научно-технический центр "ДИАПРОМ" (АО "НТЦД") | Hydrogen and oxygen concentration control system in gaseous media |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1396029A1 (en) * | 1986-04-28 | 1988-05-15 | Ленинградский Институт Авиационного Приборостроения | Method of analyzing hydrogen concentration in air |
US5959190A (en) * | 1996-11-06 | 1999-09-28 | Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft-Und Raumfahrt E.V. | Sensor for measuring the composition of mixtures of hydrogen and oxygen gas |
RU2293972C2 (en) * | 2004-07-14 | 2007-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" | Method of measurement of oxygen concentration in hydrogen-containing gas mixture and gas analyzer |
-
2013
- 2013-06-14 RU RU2013127031/28A patent/RU2536315C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1396029A1 (en) * | 1986-04-28 | 1988-05-15 | Ленинградский Институт Авиационного Приборостроения | Method of analyzing hydrogen concentration in air |
US5959190A (en) * | 1996-11-06 | 1999-09-28 | Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft-Und Raumfahrt E.V. | Sensor for measuring the composition of mixtures of hydrogen and oxygen gas |
RU2293972C2 (en) * | 2004-07-14 | 2007-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" | Method of measurement of oxygen concentration in hydrogen-containing gas mixture and gas analyzer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Система контроля горючих и взрывоопасных газов на основе твёрдоэлектролитных керамических чувствительных элементов//Мартынов П.Н. и др.//Изв. вузов. Ядерн. энергетика, 2011, N4, с.3-8. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2635711C1 (en) * | 2016-07-20 | 2017-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") | Device for measuring volume fraction and partial pressure of oxygen in gases |
RU189090U1 (en) * | 2019-02-21 | 2019-05-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Sensor for measuring the concentration of oxygen and hydrogen in inert, protective and oxidizing gas mixtures |
RU2802540C1 (en) * | 2023-03-29 | 2023-08-30 | Акционерное общество "Научно-технический центр "ДИАПРОМ" (АО "НТЦД") | Hydrogen and oxygen concentration control system in gaseous media |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013127031A (en) | 2014-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7820028B2 (en) | Oxides of nitrogen gas sensors and methods | |
Gross et al. | Cyclic-voltammetry-based solid-state gas sensor for methane and other VOC detection | |
EP2293060A2 (en) | Gas sensor | |
US9164080B2 (en) | System and method for sensing NO | |
Samotaev et al. | Metal-oxide gas sensor high-selective to ammonia | |
US20040227087A1 (en) | Analyzer for measuring multiple gases | |
RU2536315C1 (en) | Device for determining oxygen and hydrogen concentration in gas medium | |
Ishizu et al. | Carbon dioxide gas sensor with ionic gel | |
Ding et al. | In-situ measurement of dissolved H2 in aqueous fluid at elevated temperatures and pressures | |
Huck et al. | Combined amperometric/field-effect sensor for the detection of dissolved hydrogen | |
IE51906B1 (en) | Technique for monitoring so3,h2so4 in exhaust gases containing so2 | |
Midgley | Investigations into the use of gas-sensing membrane electrodes for the determination of carbon dioxide in power station waters | |
Marzouk et al. | Simple analyzer for continuous monitoring of sulfur dioxide in gas streams | |
CN112782153A (en) | Tungsten trioxide-palladium-platinum composite nano-film optical fiber hydrogen sensor | |
Marzouk et al. | Gas analyzer for continuous monitoring of carbon dioxide in gas streams | |
Baier et al. | Non-Nernstian zirconia sensors for combustion control | |
RU2293972C2 (en) | Method of measurement of oxygen concentration in hydrogen-containing gas mixture and gas analyzer | |
Schelter et al. | D7. 4-Measurement of Dissolved Gases in Anaerobic Biogenic Media | |
US20180188202A1 (en) | NOx SENSOR WITH CATALYTIC FILTER AND POLARISATION | |
Kalyakin et al. | Stability and reproducibility of solid electrolyte amperometry sensors at the analysis of hydrogen in nitrogen-containing gas mixtures | |
RU2493560C1 (en) | System for monitoring oxygen and hydrogen in gas media | |
RU42663U1 (en) | GAS ANALYZER | |
Lipnin et al. | Oxygen Concentration Measurement in Flue Gases Using Solid Electrolyte Cells | |
Al-Okby et al. | Testing and Integration of Commercial Hydrogen Sensor for Ambient Monitoring Application | |
RU57012U1 (en) | SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160315 |