RU2796000C1

RU2796000C1 - Gas analyzer

Info

Publication number: RU2796000C1
Application number: RU2022105439A
Authority: RU
Inventors: Леонид Федосеевич Носенко; Виктор Павлович Пирог
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА")
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-05-16

Abstract

FIELD: analytical instrumentation.

SUBSTANCE: present invention relates to analytical instrumentation and may be used in gas analyzers for the control of oxygen inert gases and during research work related to the development of technologies for producing pure gases. The invention comprises a dryer, having input for intake of analyzed gas, a gas flow stabilizer connected in series with it. The gas flow stabilizer is connected in series with the dryer. A potentiometric solid-electrolyte cell, in which an electrode potential difference appears and oxygen interacts with a combustible substance and gas to form moisture, is connected in series with the gas flow stabilizer. The coulometric cell, which extracts moisture from the analyzed gas and conducts the electrolysis of this moisture, is connected in series to a potentiometric solid-electrolyte cell. The potentiometric solid-electrolyte cell is connected to a temperature controller, and the difference in electrode potentials of the potentiometric solid-electrolyte cell and the electrolysis current of the coulometric cell enter the measurement unit, where the oxygen content obtained by the potentiometric solid-electrolyte cell and the oxygen content obtained by the coulometric cell are determined, which are summed, and the coulometric cell has an output for gas release.

EFFECT: invention increase in the accuracy of measuring the concentration of oxygen in the analyzed gas, especially when measuring small concentrations.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в газоанализаторах при контроле инертных газов по кислороду и при проведении научно-исследовательских работ, связанных с разработкой технологий получения чистых газов.The present invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used in gas analyzers in the control of inert gases for oxygen and in research work related to the development of technologies for obtaining pure gases.

Известен серийно выпускаемый газоанализатор ФЛЮОРИТ (Пирог В.П. и др. Широкодиапазонный твердоэлектролитный газоанализатор кислорода. Приборы, №3, 2007 г., с. 23-26), предназначенный для измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте.Known commercially available gas analyzer FLUORITE (V.P. Pirog and other Wide-range solid electrolyte oxygen gas analyzer. Devices, No. 3, 2007, pp. 23-26), designed to measure the oxygen concentration in inert gases and nitrogen.

Газоанализатор имеет следующие технические характеристики:The gas analyzer has the following technical characteristics:

• диапазон измерений 10^-6…1005; %• measuring range 10 ^-6 …1005; %

• основная относительная погрешность в зависимости от измеряемой концентрации от ±4; ±6; ±10%.• basic relative error depending on the measured concentration from ±4; ±6; ±10%.

В качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ), работающая при температуре (634±2)°С.A potentiometric solid electrolyte cell (PTEC) operating at a temperature of (634±2)°C is used as a sensitive element.

Чувствительный элемент газоанализатора выполнен в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при высокой температуре чисто кислородной проводимостью. Рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обеих сторон методом вжигания нанесены пористые платиновые электроды. Рабочим электродом является его внутренний электрод, электрод сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде платиновых дорожек. С наружной стороны чувствительный элемент омывается за счет естественной конвенции воздухом, который является сравнительной средой. Объемная концентрация кислорода в воздухе принимается равной 20.7%.The sensitive element of the gas analyzer is made in the form of a test tube made of zirconium ceramics, which has pure oxygen conductivity at high temperatures. The working part of the element is its bottom, on which porous platinum electrodes are applied on both sides by burning. The working electrode is its inner electrode, the reference electrode is its outer one. The current leads from the electrodes are made in the form of platinum tracks. From the outside, the sensing element is washed by natural convention with air, which is a comparative medium. The volume concentration of oxygen in the air is assumed to be 20.7%.

Сущность работы ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода, на границе металл - твердый электролит газовая фаза устанавливает равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Величина этого потенциала будет зависеть от концентрации кислорода в газовой фазе. Так как потенциал кислорода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой сравнительным.The essence of the cell is as follows. If a solid electrolyte has a metal electrode on the surface, then due to the mobility of oxygen ions, the gas phase establishes an oxygen equilibrium at the metal-solid electrolyte interface, which is characterized by a certain electrode potential. The value of this potential will depend on the oxygen concentration in the gas phase. Since the potential of oxygen cannot be measured directly, the potential difference of two electrodes is measured, one of which is working and the other is comparative.

Разность электродных потенциалов связана с концентрацией кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде соотношением Нернста:The electrode potential difference is related to the oxygen concentration in the analyzed gas and the reference medium by the Nernst relation:

где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ячейки), В;where E is the difference in electrode potentials (EMF of the cell), V;

R - газовая постоянная Больцмана, Дж/моль*К;R is the Boltzmann gas constant, J/mol*K;

Т - температура, К;T - temperature, K;

4F=4*6500 - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода, кл/моль;4F=4*6500 - the amount of electricity required to transfer one mole of oxygen, cell/mol;

- концентрация кислорода в сравнительной и анализируемой средах соответственно, %.

- oxygen concentration in the comparative and analyzed media, respectively, %.

Данный метод измерения концентрации кислорода хорош при измерении концентрации кислорода чистых газов, но при наличии в анализируемом газе горючих веществ и газов, а это часто бывает, показание газоанализатора занижают, потому что происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, поэтому в эксплуатационной документации на газоанализатор введены ограничения по содержанию горючих веществ и газов в анализируемом газе.This method of measuring the oxygen concentration is good for measuring the oxygen concentration of pure gases, but if there are combustible substances and gases in the analyzed gas, and this often happens, the gas analyzer reading is underestimated, because oxygen interacts with the combustible substance and gas with the formation of moisture, therefore, in the operational documentation for the gas analyzer introduced restrictions on the content of combustible substances and gases in the analyzed gas.

Целью настоящего изобретения является измерение концентрации кислорода потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой при наличии горючих веществ и газов в анализируемом газе.The purpose of the present invention is to measure the oxygen concentration with a potentiometric solid electrolyte cell in the presence of combustible substances and gases in the analyzed gas.

Поставленная цель достигается тем, что в пневматическую схему газоанализатора введена кулонометрическая ячейка, которая соединена с ней последовательно.This goal is achieved by the fact that a coulometric cell is introduced into the pneumatic circuit of the gas analyzer, which is connected in series with it.

Кулонометрическая ячейка предназначена для измерения объемной доли влаги путем извлечения ее из анализируемого газа и последующего измерения тока электролиза этой влаги в кулонометрической ячейке.The coulometric cell is designed to measure the volume fraction of moisture by extracting it from the analyzed gas and then measuring the electrolysis current of this moisture in the coulometric cell.

Суммарный ток 1о электролиза в кулонометрической ячейке при постоянном расходе пропорционален объемной доле влаги, содержащейся в анализируемом газе

и определяется по формуле:The total current 10 of electrolysis in the coulometric cell at a constant flow rate is proportional to the volume fraction of moisture contained in the analyzed gas

and is determined by the formula:

где

- объемная доля влаги в анализируемом газе, млн^-1;Where

- volume fraction of moisture in the analyzed gas, ^ppm ;

- электрохимический эквивалент воды;

- electrochemical equivalent of water;

Q - расход газа, см³/мин;Q - gas flow, cm ³ /min;

I₀ - общий ток электролиза кулонометрической ячейки, мкА.I ₀ - total electrolysis current of the coulometric cell, μA.

Влага, поступающая в кулонометрическую ячейку, образована путем полного взаимодействия горючих веществ и газов с кислородом, находящегося в анализируемом газе. Количество кислорода, вступившего во взаимодействие с горючим веществом и газом, определяется по формуле:The moisture entering the coulometric cell is formed by the complete interaction of combustible substances and gases with oxygen present in the analyzed gas. The amount of oxygen that has interacted with a combustible substance and gas is determined by the formula:

где

- концентрация кислорода, %:Where

- oxygen concentration, %:

3.14⋅10^-4 - коэффициент, обусловленный выбором единиц физических величин,3.14⋅10 ^-4 - coefficient due to the choice of units of physical quantities,

На Фиг. 1 схематически изображен газоанализатор для измерения концентрации кислорода при наличии горючих веществ и газов в анализируемом газе. Газоанализатор содержит: осушитель 1, стабилизатор расхода газа 2, блок измерений 3, потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку 4, терморегулятор 5, кулонометрическую ячейку 6.On FIG. 1 schematically shows a gas analyzer for measuring the concentration of oxygen in the presence of combustible substances and gases in the analyzed gas. The gas analyzer contains: dryer 1, gas flow stabilizer 2, measurement unit 3, potentiometric solid electrolyte cell 4, temperature controller 5, coulometric cell 6.

Газоанализатор работает следующим образом:The gas analyzer works as follows:

Анализируемый газ через входной штуцер поступает в осушитель, в котором удаляется влага находящаяся в анализируемом газе, и поступает в стабилизатор расхода газа, который задает и поддерживает расход анализируемого газа в пневматической схеме газоанализатора, далее анализируемый газ поступает в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, в ней с помощью терморегулятора установлена температура (634±2)°С, где происходят два процесса: в зависимости от концентрации кислорода в анализируемом газе на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки появляется разность электродных потенциалов и происходит взаимодействие кислорода с горючим веществом и газом с образованием влаги, далее анализируемый газ поступает в кулонометрическую ячейку, которая извлекает влагу из анализируемого газа и проводит электролиз этой влаги.The analyzed gas through the inlet fitting enters the dryer, in which the moisture in the analyzed gas is removed, and enters the gas flow stabilizer, which sets and maintains the flow rate of the analyzed gas in the pneumatic circuit of the gas analyzer, then the analyzed gas enters the potentiometric solid electrolyte cell, in which, with the help of the thermostat set the temperature to (634±2)°C, where two processes occur: depending on the oxygen concentration in the analyzed gas, a difference in electrode potentials appears on the electrodes of the potentiometric solid electrolyte cell and oxygen interacts with the combustible substance and gas with the formation of moisture, then the analyzed gas enters into a coulometric cell that extracts moisture from the analyzed gas and electrolyzes this moisture.

Разность электродных потенциалов потенциометрической твердоэлектролитной ячейки и ток электролиза кулонометрической ячейки поступают в блок измерений. В блоке измерений, используя формулы (1) и (3) определяется содержание кислорода полученное потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой и содержание кислорода полученное кулонометрической ячейкой, которые суммируются и показания выводятся на табло.The difference in electrode potentials of the potentiometric solid electrolyte cell and the electrolysis current of the coulometric cell are fed into the measurement unit. In the measurement block, using formulas (1) and (3), the oxygen content obtained by the potentiometric solid electrolyte cell and the oxygen content obtained by the coulometric cell are determined, which are summed up and the readings are displayed on the display.

Claims

A gas analyzer containing a dryer, having an inlet for the inlet of the analyzed gas, a gas flow stabilizer connected in series with it, to which a potentiometric solid electrolyte cell is connected in series, in which a difference in electrode potentials appears and oxygen interacts with a combustible substance and gas with the formation of moisture, to a potentiometric solid electrolyte cell A coulometric cell is connected in series to the cell, which extracts moisture from the analyzed gas and conducts electrolysis of this moisture, while the potentiometric solid electrolyte cell is connected to a thermostat, and the electrode potential difference of the potentiometric solid electrolyte cell and the electrolysis current of the coulometric cell enter the measurement unit, where the oxygen content obtained is determined. potentiometric solid electrolyte cell, and the oxygen content obtained by the coulometric cell, which are summed, and the coulometric cell has a gas outlet.