RU2613328C1 - Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте - Google Patents
Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте Download PDFInfo
- Publication number
- RU2613328C1 RU2613328C1 RU2015147599A RU2015147599A RU2613328C1 RU 2613328 C1 RU2613328 C1 RU 2613328C1 RU 2015147599 A RU2015147599 A RU 2015147599A RU 2015147599 A RU2015147599 A RU 2015147599A RU 2613328 C1 RU2613328 C1 RU 2613328C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cell
- methane
- oxygen
- nitrogen
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
Abstract
Использование: для получения возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений. Сущность изобретения заключается в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте. Технический результат: обеспечение возможности просто и надежно измерять содержание метана в азоте. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к регистрации и измерению содержания метана в азоте, и может быть использовано для решения технологических задач, связанных в первую очередь с безопасностью технологического оборудования, в котором хранится и перерабатывается метан.
Создание в атмосфере технологического оборудования и емкостях инертной среды из смеси метана с азотом является самым надежным и проверенным способом предотвращения пожаров и взрывов при проведении различного рода работ в нефтегазовой промышленности.
Основными методами определения метана являются термохимический, интерференциальный и оптический. Причем термохимический метод позволяет анализировать метан только в газовой среде, где присутствует избыточное содержание воздуха (кислорода). В бескислородной среде, например в смеси метана с азотом или другим инертным газом, данный метод в принципе неработоспособен. А интерференциальный и оптический методы, основанные на поглощении метаном части спектра светового потока, позволяют определять метан в его смеси с инертным газом.
Принцип действия интерференциального газоанализатора описан в источнике (В.Г. Путилов, А.М. Петрова, Р.Ю. Толченкин «Газоанализатор для контроля метана, выделяющегося на поверхность земли при эксплуатации и ликвидации угольных шахт», семинар №23 симпозиума «Неделя горняка - 2007») [1]. Данный метод основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами метана в области длины волны 3,2÷3,6 мкм, а в газоанализаторе для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов, способных поглощать свет, использована автокомпенсационная двулучевая оптическая схема. В ней измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем длина волны одного - измерительного луча находится в области поглощения, а другого - опорного луча - в области, где поглощение отсутствует. Излучатели и фотоприемники, используемые в газоанализаторе, меняют параметры со временем, при изменениях температуры, а также в процессе старения. Для автокомпенсации этих изменений в оптическую схему введены еще два луча, не проходящие сквозь анализируемую газовую смесь. Способ аппаратурно сложен, трудоемок и требует квалифицированного обслуживания.
Оптический способ определения метана реализован в известном дистанционном обнаружителе метана (RU 2029287, опубл. 20.02.1995) [2]. Способ заключается в том, что излучение лазеров попеременно поступает на зеркала, с помощью которых делится на опорные и зондирующие пучки. Последние, пройдя через исследуемую область пространства, падают на топографический рассеиватель. Рассеянное назад излучение собирается телескопом и направляется на расположенный в его фокусе фотоприемник 7, подключенный к входу усилителя. Выход усилителя 9 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. Опорные пучки с помощью зеркал подаются на фотоприемник, подключенный к входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к входным цепям микро-ЭВМ. Зондирующие пучки, попеременно проходя через исследуемую область пространства, по-разному поглощаются метаном, в результате чего рассеянное назад топографическим рассеивателем излучение на этих длинах волн оказывается ослабленным по-разному. Это излучение, собранное телескопом, преобразуется с помощью фотоприемника в электрический сигнал, а затем после усиления преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код.
Способ характеризуется сложным аппаратурным оформлением, трудоемкостью, необходимостью в квалифицированном обслуживающем персонале.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего достаточно просто и надежно измерять содержание метана в азоте.
Для решения поставленной задачи предложен электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте.
При подаче к электродам одного из дисков напряжения постоянного тока в пределах от 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод. В полости ячейки будет протекать процесс окисления метана накаченным в полость кислородом в соответствии с реакцией:
При достижении напряжения постоянного тока величины в пределах от 600-1500 мВ ток стабилизируется и перестает расти с ростом напряжения. Полученный ток является предельным током, а его величина обусловлена газообменом между анализируемой средой и газом в полости ячейки. Величина предельного тока ячейки лимитируется диффузионным барьером - капилляром и связана с концентрацией аммиака (Иванов-Шиц, И. Мурин, Ионика твердого тела, том 2, С.-Петербург (2010) СС. 964-965) уравнением (2):
где D(метан-инертный газ) - коэффициент диффузии аммиака в инертном газе;
X(метан) - мольная доля аммиака в инертном газе;
S - площадь сечения капилляра, мм2;
Р - общее давление газовой смеси, атм;
Т - температура анализа, К;
L - длина капилляра, мм.
В соответствии с уравнением (2) достаточно легко рассчитать содержание метана по измеренному значению предельного тока IL(метан - инертный газ).
При этом другой твердоэлектролитный диск с нанесенными на его противоположные поверхности электродами выполняет функцию контроля работоспособности электрохимической ячейки по величине ЭДС, которая в соответствии с уравнением (3) отражает изменение парциального давления кислорода внутри ячейки относительно парциального давления кислорода в анализируемом газовом потоке:
где Е - ЭДС ячейки, мВ;
R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль-К;
Т - температура, К;
4 - число электронов, участвующих в данной электродной реакции;
F - число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;
Р(O2)1 - парциальное давление кислорода в полости ячейки;
Р(O2)2 - парциальное давление кислорода в потоке анализируемого газа.
Генерируемая величина ЭДС с одной стороны подтверждает, что на том диске с электродами, на который подвали напряжение, установился предельный ток - величина ЭДС при этом также стабилизируется, а также говорит о возможной разгерметизации электрохимической ячейки. При разгерметизации электрохимической ячейки ЭДС будет падать до нуля, т.к. отношение P(O2 l)/P(O2 2) станет равно единице.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена электрохимическая ячейка для реализации способа; на фиг. 2 - зависимость тока диска с электродами, на который подают напряжение и ЭДС диска с электродами, с которого снимают ЭДС, от подаваемого напряжения для газа СН4(5%)+N2 при температуре 550°С; на фиг. 3 - зависимость предельного тока электрохимической ячейки от напряжения и концентрации СН4; на фиг. 4 - зависимость предельного тока электрохимической ячейки от концентрации метана.
Электрохимическая ячейка для реализации способа измерения метана в азоте состоит из двух дисков 1 и 2, выполненных из кислородпроводящего твердого электролита состава 0,9 ZrO2+0,1Y2O3. На противоположных поверхностях каждого из дисков 1 и 2 расположены по два наружных электрода 3 и 4 и по два внутренних электрода 5 и 6. Диски 1 и 2 соединены между собой газоплотным герметиком с образованием внутренней полости 7. Между дисками находится капилляр 8. Подачу напряжения на электроды 3 и 4 диска 1 осуществляют от источника напряжения постоянного тока, причем на внутренний электрод 4 подают плюс. Ток, возникающий в цепи ячейки, измеряется амперметром (А). Сама электрохимическая ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность и по капилляру 8 поступает во внутреннюю полость 7. Под действием напряжения постоянного тока, приложенного от источника (ИПТ) к электродам 3 и 4, через твердый кислородпроводящий электролит происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость ячейки 7. В полости 7 поступивший кислород взаимодействует с метаном. Образовавшиеся продукты взаимодействия, в соответствии с уравнениями (1-2), обмениваются через капилляр 8 с анализируемым газом. При этом капилляр 8 является диффузионным барьером, лимитирующим этот газовый поток обмена. Этому потоку обмена будет соответствовать и ток ячейки. При достижении приложенного напряжения величины в пределах 600-1500 мВ газообмен между полостью ячейки и анализируемой средой стабилизируется и в цепи устанавливается предельный диффузионный ток - IL(метан - азот), который измеряют с помощью амперметра (А). Посредством уравнения (2) по величине измеренного IL(метан - азот) можно определить величину X(метан), т.е. концентрацию метана в азоте.
Таким образом, заявленный способ позволяет измерить содержание метана в азоте посредством амперометрической ячейки с кислородпроводящим твердым электролитом. Поскольку свойства инертных газов идентичны, заявленный способ может быть применен для измерения содержания метана в других инертных газах.
Claims (1)
- Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147599A RU2613328C1 (ru) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147599A RU2613328C1 (ru) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2613328C1 true RU2613328C1 (ru) | 2017-03-16 |
Family
ID=58458180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015147599A RU2613328C1 (ru) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2613328C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661074C1 (ru) * | 2017-07-17 | 2018-07-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Способ изготовления смесей для калибровки газоаналитического оборудования с использованием твердотельного электролизера |
| RU2735628C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2020-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0389156A (ja) * | 1989-08-31 | 1991-04-15 | Sumitomo Chem Co Ltd | ガスセンサ素子 |
| US5716506A (en) * | 1995-10-06 | 1998-02-10 | Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Electrochemical sensors for gas detection |
| RU2171468C1 (ru) * | 2000-04-10 | 2001-07-27 | Сомов Сергей Иванович | Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации |
| WO2007107833A1 (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Gas sensor, fuel supply system using the same, and method of using gas sensor |
| RU2548614C1 (ru) * | 2014-04-22 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте |
-
2015
- 2015-11-05 RU RU2015147599A patent/RU2613328C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0389156A (ja) * | 1989-08-31 | 1991-04-15 | Sumitomo Chem Co Ltd | ガスセンサ素子 |
| US5716506A (en) * | 1995-10-06 | 1998-02-10 | Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Electrochemical sensors for gas detection |
| RU2171468C1 (ru) * | 2000-04-10 | 2001-07-27 | Сомов Сергей Иванович | Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации |
| WO2007107833A1 (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Gas sensor, fuel supply system using the same, and method of using gas sensor |
| RU2548614C1 (ru) * | 2014-04-22 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661074C1 (ru) * | 2017-07-17 | 2018-07-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Способ изготовления смесей для калибровки газоаналитического оборудования с использованием твердотельного электролизера |
| RU2735628C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2020-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2909329B1 (en) | Methods for detecting bacterial infections | |
| US20160202186A1 (en) | Gas Sensor to Enhance Implementation of a Process-Based Leakage Monitoring Method | |
| JP2011512532A (ja) | 赤外分光計 | |
| US9857267B1 (en) | Methods and apparatus for measuring small leaks from carbon dioxide sequestration facilities | |
| RU2613328C1 (ru) | Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте | |
| JP2014517925A (ja) | レーザーに基づく温度非感受性の二酸化炭素アイソトープ比測定 | |
| Zhou et al. | Sensitive detection of oxygen using a diffused integrating cavity as a gas absorption cell | |
| US6762410B1 (en) | Analysis apparatus | |
| Wang et al. | Using broadband absorption spectroscopy to measure concentration of sulfur dioxide | |
| Tang et al. | High-precision measurements of nitrous oxide and methane in air with cavity ring-down spectroscopy at 7.6 µ m | |
| Buldakov et al. | Raman gas-analyzer for analyzing environmental and technogenic gas media | |
| Tanaka et al. | Sensitive measurements of stable carbon isotopes of CO 2 with wavelength modulation spectroscopy near 2 μm | |
| JP2016504581A (ja) | 肺における細菌負荷の部位の決定 | |
| RU2548614C1 (ru) | Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте | |
| JP7461937B2 (ja) | 試料分析装置 | |
| Schlüter et al. | Gas sensor for volatile anesthetic agents based on Raman scattering | |
| JP2008196870A (ja) | シロキサン分析装置 | |
| RU2536315C1 (ru) | Устройство для определения концентрации кислорода и водорода в газовой среде | |
| RU2611578C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации диоксида углерода в азоте | |
| RU2563325C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации горючих газов в азоте | |
| RU57012U1 (ru) | Датчик для измерения концентрации компонентов анализируемой газовой среды | |
| WO2023218983A1 (ja) | 赤外線ガス分析計及び赤外線ガス分析方法 | |
| US20240102919A1 (en) | Apparatus and method for analyzing a sample | |
| Seeger et al. | Potentials of Raman based sensor system for an online analysis of human inhale and exhale | |
| Tomberg et al. | Sub-part-per-trillion level detection of hydrogen fluoride by cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191106 |