RU51228U1

RU51228U1 - OXYGEN GAS ANALYZER SENSOR

Info

Publication number: RU51228U1
Application number: RU2005108547/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Павлович Пирог; Александр Федорович Лысенко; Александр Михайлович Габа; Сергей Федорович Новицкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-01-27

Abstract

Предлагаемая полезная модель датчика газоанализатора кислорода относится к области аналитического приборостроения. Цель полезной модели - расширение диапазона измерений концентраций кислорода в инертных газах и азоте и упрощение конструкции элементов газового тракта. Предлагаемый датчик газоанализатора кислорода содержит нагреватель, термопару и чувствительный элемент, включенный в газовый тракт. Новым является то, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, позволяющая расширить диапазон измерения концентраций кислорода, а регулировка расхода газа осуществляется устройством тонкой регулировки, одновременно служащим конструктивным элементом крепления потенциометрической твердоэлектролитной ячейки. Такое исполнение позволяет упростить конструкцию элементов газового тракта и выполнять измерения при анализе газов с различной плотностью. Изготовлены образцы датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 1 • 10^-6 до 100% об. Предлагаемый датчик иллюстрируется чертежом.The proposed utility model of the oxygen gas analyzer sensor relates to the field of analytical instrumentation. The purpose of the utility model is to expand the range of measurements of oxygen concentrations in inert gases and nitrogen and simplify the design of the elements of the gas path. The proposed oxygen gas analyzer sensor comprises a heater, a thermocouple and a sensing element included in the gas path. New is that a potentiometric solid electrolyte cell is used as a sensitive element, which allows to expand the range of measuring oxygen concentrations, and gas flow is regulated by a fine adjustment device, which at the same time serves as a structural element for fixing a potentiometric solid electrolyte cell. This design allows you to simplify the design of the elements of the gas path and perform measurements in the analysis of gases with different densities. Made sensor samples. Experimental studies have confirmed the possibility of measuring the concentration of oxygen in inert gases and nitrogen from 1 • 10 ^-6 to 100% vol. The proposed sensor is illustrated in the drawing.

Description

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика в газоанализаторах при получении инертных газов и азота на воздухоразделительных установках для контроля чистоты газов по кислороду и при проведении научно-исследовательских работ, связанных с разработкой технологий получения чистых газов.The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a sensor in gas analyzers for the production of inert gases and nitrogen in air separation plants for monitoring the purity of gases for oxygen and during research work related to the development of technologies for producing pure gases.

Известен датчик для определения кислорода в газах масс-спектрометрическим способом (Вейнеров М.Л. и др. "Автоматические газоанализаторы", Центральный институт научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения, М., 1961 г.).A known sensor for determining oxygen in gases by a mass spectrometric method (Veinerov M.L. et al. "Automatic gas analyzers", Central Institute of Scientific and Technical Information of the Electrical Engineering and Instrument Engineering, Moscow, 1961).

В датчике масс-спектрометрического газоанализатора газ ионизируется. Образовавшиеся ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы иона к его заряду, а затем поступают на коллектор и дают в его цепи ток, пропорциональный парциальному давлению кислорода.In the mass spectrometer detector, the gas is ionized. The formed ions are separated by the ratio of the ion mass to its charge, characteristic of each of them, and then they enter the collector and give a current in its circuit proportional to the partial pressure of oxygen.

Датчик имеет ряд недостатков:The sensor has several disadvantages:

- сложное аппаратурное оформление;- complex hardware design;

- узкий диапазон измерений.- narrow range of measurements.

Известен также термомагнитный датчик для определения концентраций кислорода в газах (Коллеров Д.К. "Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии", Из-во стандартов, М., 1980 г.).Also known is a thermomagnetic sensor for determining oxygen concentrations in gases (DK Kollerov "Gas analyzers. Problems of practical metrology", Iz-in standards, M., 1980).

Способ основан на парамагнитных свойствах кислорода. Под действием магнитного поля возникает термомагнитная конвекция кислорода, содержащегося в анализируемом потоке газа, пропускаемого через кольцевой газопровод. По диаметру газопровода имеется соединительный газоход, находящийся под действием магнитного поля. В газоходе устанавливается The method is based on the paramagnetic properties of oxygen. Under the influence of a magnetic field, thermomagnetic convection of the oxygen contained in the analyzed gas flow through the annular gas pipeline arises. The diameter of the gas pipeline has a connecting duct under the influence of a magnetic field. In the flue installed

поток газа, интенсивность которого зависит от концентрации кислорода. Поток газа охлаждает платиновые проволоки, являющиеся плечами измерительного моста постоянного тока. Разбаланс моста регистрируется прибором, отградуированным по кислороду. Датчик имеет ряд недостатков:gas flow, the intensity of which depends on the concentration of oxygen. The gas flow cools the platinum wires, which are the shoulders of the DC measuring bridge. The imbalance of the bridge is recorded by a device calibrated by oxygen. The sensor has several disadvantages:

- измерения выполняются в диапазоне макроконцентраций;- measurements are performed in the range of macroconcentrations;

- сложность аппаратурного оформления.- the complexity of the hardware design.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (а.с. СССР №705320 МПК G01 N 27/46) позволяющее измерять концентрацию кислорода в диапазоне от 1- 10^-3 до 0,1 % об. при температуре кулонометрической твердоэлектролитной ячейки (КТЭЯ) от 700 до 900°С. Этот диапазон измерений обусловлен принципиальными ограничениями КТЭЯ, работающей в кулонометрическом режиме. Работа этой ячейки происходит следующим образом. Чувствительный элемент выполнен в виде пробирки из твердого электролита на основе двуокиси циркония. На стенки и донышко пробирки на расстоянии около 50 мм от донышка нанесены газопроницаемые электроды из металла, не окисляющегося при рабочей температуре КТЭЯ. Рабочая температура поддерживается нагревателем. Внутрь чувствительного элемента подается со стабильным расходом анализируемый газ, снаружи чувствительный элемент омывается атмосферным воздухом. К электродам чувствительного элемента подключен источник напряжения и токоизмерительный прибор. При поступлении в КТЭЯ газа, содержащего кислород, ячейка работает в режиме кулонометрического извлечения кислорода. Сущность кулонометрического метода заключается в измерении тока перекачки кислорода из потока анализируемого газа со стабильным расходом через твердый электролит под действием напряжения, приложенного к электродам ячейки от внешнего источника питания.The closest in technical essence is a device (AS USSR №705320 IPC G01 N 27/46) capable of measuring the oxygen concentration in the range of 1- 10 ^-3 to about 0.1%. at the temperature of a coulometric solid electrolyte cell (КТЭЯ) from 700 to 900 ° С. This measurement range is due to the fundamental limitations of the CTEC operating in the coulometric mode. The work of this cell is as follows. The sensitive element is made in the form of a test tube of a solid electrolyte based on zirconium dioxide. On the walls and bottom of the tube at a distance of about 50 mm from the bottom are applied gas-permeable electrodes made of metal that is not oxidized at the operating temperature of CTEN. The operating temperature is maintained by the heater. The analyzed gas is supplied with a stable flow rate inside the sensor; outside the sensor is washed with atmospheric air. A voltage source and a current meter are connected to the electrodes of the sensing element. When a gas containing oxygen enters the CHPF, the cell operates in the coulometric oxygen extraction mode. The essence of the coulometric method is to measure the oxygen transfer current from the analyzed gas stream with a stable flow rate through a solid electrolyte under the action of a voltage applied to the cell electrodes from an external power source.

В установившемся режиме концентрация кислорода Сд определяетсяIn the steady state, the oxygen concentration of SD is determined

соотношением:ratio:

где Э_О2 - электрохимический эквивалент кислорода;where E _O2 is the electrochemical equivalent of oxygen;

Q - расход анализируемого газа через чувствительный элемент;Q is the flow rate of the analyzed gas through the sensing element;

I - ток переноса в цепи КТЭЯ. Недостатки этого способа:I is the transfer current in the CTEY circuit. The disadvantages of this method:

- узкий диапазон измеряемых концентраций кислорода;- a narrow range of measured oxygen concentrations;

- необходимость точного поддержания расхода анализируемого газа с помощью стабилизатора расхода, что усложняет газовую схему и требует замены постоянных дросселей в процессе эксплуатации при измерении концентраций кислорода в газах с различной плотностью.- the need to accurately maintain the flow rate of the analyzed gas using a flow stabilizer, which complicates the gas circuit and requires the replacement of constant chokes during operation when measuring oxygen concentrations in gases with different densities.

Целью полезной модели является расширение диапазона измерений концентрации кислорода в инертных газах и азоте и упрощение газового тракта датчика.The purpose of the utility model is to expand the range of measurements of oxygen concentration in inert gases and nitrogen and simplify the gas path of the sensor.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка (ПТЭЯ), работающая при температуре от 600 до 700°С, а регулировка поддержания расхода газа при входном давлении от 4 до 600 кПа осуществляется устройством тонкой регулировки, одновременно служащим конструктивным элементом крепления ПТЭЯ.This goal is achieved by the fact that a potentiometric solid electrolyte cell (PTEJ) is used as a sensitive element, operating at a temperature of 600 to 700 ° C, and the gas flow rate is maintained at an inlet pressure of 4 to 600 kPa by a fine adjustment device that simultaneously serves as a structural element PTEA mounts.

Сущность потенциометрического метода заключается в измерении разности потенциалов между рабочим и сравнительным электродами ПТЭЯ при стабильно поддерживаемой температуре в рабочей зоне ячейки.The essence of the potentiometric method is to measure the potential difference between the working and comparative PTFE electrodes at a stably maintained temperature in the working area of the cell.

На фигуре приведен чертеж датчика газоанализатора кислорода.The figure shows a drawing of a sensor for a gas analyzer of oxygen.

Анализируемый газ через штуцер "ВХОД ГАЗА" 1 поступает в рабочий канал корпуса 2, в котором установлен регулирующий орган в виде иглы 3, имеющий возможность вращательного возвратно-поступательного движения, причем рабочая поверхность конца иглы и внутренняя поверхность втулки 4 имеют участки одинаковой формы. Для повышения The analyzed gas through the fitting "GAS INPUT" 1 enters the working channel of the housing 2, in which a regulating body is installed in the form of a needle 3, with the possibility of rotational reciprocating motion, and the working surface of the end of the needle and the inner surface of the sleeve 4 have sections of the same shape. For increase

надежности и точности регулирования игла выполнена из твердого металла, а втулка - из пластичного металла.Reliability and accuracy of regulation of the needle is made of solid metal, and the sleeve is made of plastic metal.

Для обеспечения герметичности игла уплотняется двумя резиновыми кольцами 5, а после настройки требуемого расхода фиксируется втулкой 6. С целью устранения натекания кислорода из окружающей среды через резиновые уплотнения большая часть анализируемого газа омывает кольца и отводится через штуцер "БАИПАС" 7. Анализируемый газ через зазор, образованный иглой и втулкой, поступает в керамическую трубку 8, загерметизированную прокладкой 9 и омывает внутреннюю рабочую поверхность ПТЭЯ 10. Сущность работы ячейки заключается в следующем. Если твердый электролит имеет на поверхности металлический электрод, то благодаря подвижности ионов кислорода на границе "металл - твердый электролит", в газовой фазе устанавливается равновесие по кислороду, которое характеризуется определенным электродным потенциалом. Значение этого потенциала зависит от парциального давления кислорода в газовой фазе. Так как потенциал электрода непосредственно измерить невозможно, измеряют разность потенциалов двух электродов, один из которых является рабочим, а другой - сравнительным.To ensure tightness, the needle is sealed with two rubber rings 5, and after adjusting the required flow rate, it is fixed with sleeve 6. In order to prevent oxygen from leaking from the environment through rubber seals, most of the analyzed gas washes the rings and is discharged through the BAIPAS fitting 7. The analyzed gas through the gap formed by a needle and a sleeve, enters a ceramic tube 8, sealed with a gasket 9 and washes the inner working surface of the PTE 10. The essence of the cell is as follows. If the solid electrolyte has a metal electrode on the surface, then due to the mobility of oxygen ions at the metal-solid electrolyte interface, an oxygen equilibrium is established in the gas phase, which is characterized by a certain electrode potential. The value of this potential depends on the partial pressure of oxygen in the gas phase. Since the electrode potential cannot be directly measured, the potential difference of the two electrodes is measured, one of which is the working one, and the other is comparative.

Разность электродных потенциалов связана с парциальными давлениями кислорода в анализируемом газе и сравнительной среде уравнением Нернста:The electrode potential difference is related to the partial pressures of oxygen in the analyzed gas and the comparative medium by the Nernst equation:

где Е - разность электродных потенциалов (ЭДС ПТЭЯ), Вwhere E is the electrode potential difference (EMF PTEY), V

R - газовая постоянная Больцмана;R is the Boltzmann gas constant;

Т - температура. К;T is the temperature. TO;

4F - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода;4F - the amount of electricity needed to transfer one mole of oxygen;

P1 и P2 - парциальное давление кислорода соответственно вP1 and P2 are the partial pressure of oxygen, respectively, in

сравнительной среде и анализируемом газе. Па. ПТЭЯ выполняется в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при температуре более 600°С кислородной проводимостью. Рабочей частью ПТЭЯ является донышко, на которое с обеих сторон нанесены пористые металлические электроды, рабочим электродом является внутренний электрод, электродом сравнения - наружный. Токоотводы от электродов выполнены в виде металлических дорожек, выведенных на наружную поверхность ПТЭЯ. ЭДС снимается с контактных площадок с помощью подпружиненных контактов 11, закрепленных в держателе 12 изолирующей втулкой 13 и крепежной втулкой 14. С наружной стороны ПТЭЯ омывается за счет естественной конвекции окружающим воздухом, который является сравнительной средой. Анализируемый газ, поступив в ПТЭЯ, через отверстия в трубке 15, проточку и отверстие во втулке 16 и штуцер "ВЫХОД ГАЗА" 17 свободно выходит в атмосферу, чем достигается равенство давлений анализируемого газа и сравнительной среды, в связи с чем отношения парциальных давлений в формуле (2) можно заменить отношением концентраций:comparative medium and test gas. Pa PTEJ is performed in the form of a test tube made of zirconium ceramics having oxygen conductivity at a temperature of more than 600 ° C. The working part of the PTEJ is the bottom, on which porous metal electrodes are applied on both sides, the working electrode is the inner electrode, and the reference electrode is the outer one. The down conductors from the electrodes are made in the form of metal tracks brought to the outer surface of the PTEJ. EMF is removed from the contact pads by means of spring-loaded contacts 11 fixed in the holder 12 by an insulating sleeve 13 and a mounting sleeve 14. From the outside, the PTEJ is washed due to natural convection by the surrounding air, which is a comparative medium. The analyzed gas, having entered the PTEJ through the holes in the tube 15, the groove and the hole in the sleeve 16, and the “GAS OUT” fitting 17 freely releases into the atmosphere, thereby achieving the equality of the pressure of the analyzed gas and the comparative medium, and therefore the partial pressure ratios in the formula (2) can be replaced by the ratio of concentrations:

где С и С_х - объемные доли кислорода соответственно в сравнительной среде и анализируемом газе.where C and C _x are the volume fractions of oxygen, respectively, in the comparative medium and the analyzed gas.

Таким образом, поддерживая с заданной точностью температуру Т и, измерив значение Е, можно определить концентрацию кислорода в анализируемом газе С_х.Thus, maintaining the temperature T with a given accuracy and measuring the value of E, it is possible to determine the oxygen concentration in the analyzed gas C _x .

Герметизируется ПТЭЯ фторопластовой втулкой 18, резиновой 19 и фторопластовой 20 прокладками, которые поджимаются поступательным движением держателя 12 при закручивании гайки 21. От консольного PTEJ is sealed with a fluoroplastic sleeve 18, a rubber 19 and a fluoroplastic 20 gaskets, which are pressed by the translational movement of the holder 12 when tightening the nut 21. From the console

перемещения ПТЭЯ фиксируется резиновой 22 и фторопластовой 23 прокладками, уплотняющимися гайкой 24.PTEJ movement is fixed with rubber 22 and fluoroplastic 23 gaskets, sealed with nut 24.

Температура рабочей поверхности ПТЭЯ создается нагревателем 25, к контактам 26 которого от внешнего регулятора температуры подается напряжение питания. Температура в рабочей зоне ПТЭЯ измеряется термопарой 27, закрепленной прокладкой 28 и держателем 29. Рабочая часть термопары устанавливается на расстоянии 1-2 мм от донышка ПТЭЯ, а корпус термопары фиксируется стопорным винтом 30.The temperature of the working surface of the PTFE is created by the heater 25, to the contacts 26 of which a voltage is supplied from the external temperature controller. The temperature in the working zone of the PTEJ is measured by a thermocouple 27, fixed by a gasket 28 and the holder 29. The working part of the thermocouple is installed at a distance of 1-2 mm from the bottom of the PTEJ, and the thermocouple body is fixed with a locking screw 30.

Кронштейн 31 устройства тонкой регулировки газа и нагреватель 25 устанавливаются на основании 32, обеспечивающем соосную установку ПТЭЯ, нагревателя и термопары.The bracket 31 of the device for fine adjustment of gas and the heater 25 are installed on the base 32, providing coaxial installation of PTEJ, heater and thermocouple.

Изготовлены образцы предлагаемого датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения концентрации кислорода в инертных газах и азоте от 1 • 10^-6 до 100% об.Made samples of the proposed sensor. Experimental studies have confirmed the possibility of measuring the concentration of oxygen in inert gases and nitrogen from 1 • 10 ^-6 to 100% vol.

Claims

An oxygen gas analyzer sensor containing a heater, a thermocouple and a sensing element included in the gas path, characterized in that in order to expand the range of measurements of oxygen concentrations in inert gases and nitrogen and simplify the gas path, the sensing element is made in the form of a potentiometric solid electrolyte cell, and the gas circuit contains a device for fine adjustment of the flow rate of the analyzed gas, simultaneously structurally combined with a potentiometric solid electrolyte cell.