SU957087A1 - Устройство дл измерени концентрации кислорода - Google Patents

Description

Изобретение относится к технике измерения содержания кислорода в газовых средах, в частности к электрохимическим датчикам, и может быть использовано в энергетике, химической и металлургической промышленности.

Известна твердоэлектролитная ячейка, компенсирующая влияние паразитной термо-ЭДС, содержащая рабо- ₎₀ чий участок с переменной толщиной стенки и дополнительным измерительным электродом, подключенным через блок усиления ко Эходу сумматора, к которому также подключен образцовый >_s электрод, а измерительный электрод подключен к сумматору и блоку усиления [1].

Однако такая ячейка сложна в изготовлении, а наличие вычислительных 20 блоков вносит дополнительную погрешность. Кроме того, компенсация в этой ячейке не учитывает функциональной зависимости термо-ЭДС от изме2 рения концентрации кислорода, что, в свою очередь, снижает точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения концентрации кислорода, содержащее корпус с размещенными в нем твердоэлектролитной ячейкой со взаимно смещенными электродами, нагревателем, расположенным вокруг твердоэлектролитной ячейки, и термопарой, включенной в измерительную схему

К недостаткам известного устройства следует отнести сложность реализации для получения действительного устранения паразитной термо-ЭДС и соответственно недостаточную точность В известном устройстве электроды ячейки смещают на расчетную величину, которая зависит от разности их те.мператур и от крутизны линейно-возрастающего температурного поля на.гревателя. Для реализации известного устройства необходимо измерить с достаточной точностью разность температур по толщине стенки ячейки и крутизну температурного поля нагревателя, затем определить величину смещения электродов. Но измерение указанных параметров можно произвести с определенной погрешностью. Кроме того, достаточно точно нанести электроды с заданным смещением трудно. В результате полностью устранить термо-ЭДС в известном устройстве не удается. .

‘ Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерений концентраций кислорода,, содержащем корпус с размещенными в нем твердоэлектролитной ячейкой со взаимно смещенными электродами, нагревателем, расположенным вокруг твердоэлектролитной' ячейки, и термопарой, включенной в измерительную схему, между нагревателем и твердоэлектролйтной ячейкой установлена трубка из теплопроводящего материала с переменной толщиной стенки по длине.

На фиг. 1 изображено устройство для измерения концентрации кислорода; ₃₀ на фиг. 2 - график изменения темпера^и тур по толщине стенки ячейки в разных положениях трубки из теплопроводящего материала.

Устройство содержит корпус 1, с размещенными в нем твердоэлектролитной ячейкой 2 со взаимно смещенными электродами 3 и 4, нагревателем 5. расположенным вокруг твердоэлектролитной ячейки 2, и термопарой 6, включенной в измерительную схему 7· Между нагревателем 5 и твердоэлектролитной ячейкой 2 установлена трубка 8 из теплопроводящего материала с переменной толщиной стенки по длине. Трубка 8 снабжена механизмом 9 перемещения.

Электроды 3 и 4 взаимно смещены так, чтобы степень перекрытия, определяемая отношением площади перекрытия к площади одного из электродов, выраженная в процентах, составила не менее 10%, Нагреватель 5 выполнен таким образом, чтобы температурное поле внутри него в зоне электродов ячейки 2 было равномерным. Это достигается увеличенной длиной нагревателя или специальной намоткой винтов нагревателя с переменным шагом.

Толщина стенки трубки 8 изменяется вдоль образующей трубки по экспоненциальному закону. Выводы электродов 4 и 3 подсоединяются к измеритель* ной схеме 7.

Устройство работает следующим образом .

При подводе к электродам 3 и 4 ячейки 2 газа с одинаковым содержанием кислорода, например воздуха. ЭДС, генерируемая ячейкой 2 и фиксируемая измерительной схемой 7, будет зависеть только от разности средних температур и при уменьшении этой разности будет стрёмиться к нулю.

Устройство настраивается в таких условиях. Поскольку температурное поле нагревателя 5 в районе электродов ячейки близко к равномерному (линия I на фиг. 2), то температурное поле внутри трубки 8 в этом же районе будет определяться законом изменения толщины его стенки вдоль, оси, так как тепловой поток с внешней стороны трубки 8 одинаков, а с внутренней стороны ограничен теплопередачей от его внутренней стенки к анализируемому газу. При перемещении трубки 8 вдоль общей оси с нагревателем 5 и ячейкой 2 температурное поле внутри него и соответственно над электродами смещается по линиям ММ_И и М¹ и!, . В зависимости от разности температур по толщине стенки ячейки 2 и стенки перекрытия электродов 4 и 3 выбирается такое положение трубки 8, при котором крутизна температурного поля внутри нагревателя обеспечит выравнивание средних температур смещенных электродов ячейки 2.

, Настройку производят,с помощью механизма 9 и прекращают при установке стрелки индикатора в нулевое положение. Чем больше разность температур по толщине стенки и чем меньше электроды смещены, тем большая крутизна температурного поля необходима для выравнивания вредних температур электродов и тем, соответственно, больше должна быть смещена трубка. 8 вправо ⁵⁰ (линия IV на фиг. 2).

При измерении настроенным устройством, т.е. при подаче анализируемого и эталонного газов к электроду 3 и 4 ячейки 5, генерируемая ею ЭДС определяется только уравнением Нернста, так как средние температуры электродов равны и поэтому паразитная тер.мо-ЭДС отсутствует.

Рабочая температура ячейки при измерении контролируется с помощью термопары 6.

Отрезки δΤ_ί , Δ?<^, aTj на фиг. 2 показывают каким должен быть перепад температур по толщине стенки ячейки в разных положениях элемента 8 (линии II, III и IV)· и при данном смещении электродов, чтобы средние их температуры были равны.

Применение предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерения содержания кислорода в газовых средах и довести ее до 0,5“1,0%· Экономический эффект от внедрения устройства на парогенераторах составляет 48 тыс. руб. в год.

Claims (2)

1. (5Ю УСТРОЙСТВО Дл  ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ Изобретение относитс  к технике измерени  содержани  кислорода в га зовых средах, в частности к электрохимическим датчикам, и может быть использовано в энергетике, химической и металлургической промышленности . Известна твердоэлектролитна   чейка, компенсирующа  вли ние паразитной термо-ЭДС, содержаща  рабочий участок с переменной толщиной стенки и дополнительным измерительным электродом, подключенным через блок усилени  ко Входу сумматора, к которому также подключен образцовый электрод, а измерительный электрод подключен к сумматору и блоку усилейи  Cl. Однако така   чейка сложна в изготовлении , а наличие вычислительных блоков вносит дополнительную погрешность . Кроме того, компенсаци  в этой  чейке не учитывает функционал ной зависимости термо-ЭДС от измеКИСЛОРОДА рени  концентрации кислорода, что, в свою очередь, снижает точность измерени . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  концентрации кислорода, содержащее корпус с размещенными в нем тверйоэпектролитной  чейкой со взаимно смещенными электродами, нагревателем, расположенным вокруг твердоэлектролитной  чейки, и термопарой, включенной в измерительную схему 234 К недостаткам известного устройства следует отнести сложность реализации дл  получени  действительного устранени  паразитной термо-ЭДС и соответственно недостаточную точность В известном устройстве электроды  чейки смещают на расчетную величину , котора  зависит от разности их температур и от крутизны линейно-возрастающего температурного пол  на .гревател . Дл  реализации известного 39 устройства необходимо измерить с дос таточной точностью разность температур по толщине стенки  чейки и крутизну температурного пол  нагревател , затем определить величину смещени  электродов. Но измерение указанных параметров можно произвести с определенной погрешностью. Кроме того , достаточно точно нанести электро ды с заданным смещением трудно. В результате полностью устранить термо- ДС в известном устройстве не удаетс , . Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем что в устройстве дл  измерений концентраций кислорода,, содержащем корпус с размещенными в нем твердоэлект ролитной  чейкой со взаимно смещенными электродами, нагревателем, расположенным вокруг твердоэлектролитной чейки , и термопарой, включенной в измерительную схему, между нагревателем и твердоэлектролйтной  чейкой установлена трубка из теплопровод щего материала с переменной толщиной стенки по длине. На фиг. 1 изображено устройство дл  измерени  концентрации кислорода на фиг. 2 - график изменени  тeмпepa тур по толщине стенки  чейки в разных положени х трубки из теплопровод щего материала. Устройство содержит корпус 1, с размещенными в нем твердоэлектролйтной  чейкой 2 со взаимно смещенными электродами 3 и 4, нагревателем 5i расположенным вокруг твердоэлектролйтной  чейки 2, и термопарой 6, вкл ченной в измерительную схему 7 Между нагревателем 5 и твердоэлектролйтной  чейкой 2 установлена трубка из теплопровод щего материала с пере менной толщиной стенки по длине. Трубка 8 снабжена механизмом 9 перемещени . Электроды 3 и взаимно смещены так, чтобы степень перекрыти , определ ема  отношением площади перекрыти  к площади одного из электродов, выраженна  в процентах, составила не менее 10, Нагреватель 5 выполнен таким образом, чтобы температурное поле внутри него в зоне электродов  чейки 2 было равномерным. Это достигаетс  увеличенной длиной нагревател  или специальной намоткой винтов нагревател  с переменным шагом. Толщина стенки трубки 8 измен етс  вдоль образующей трубки по экспоненциальному закону. Выводы электродов и 3 подсоедин ютс  к измеритель ной схеме 7. Устройство работает следующим образом . При подводе к электродам 3 и А  чейки 2 газа с одинаковым содержанием кислорода, например воздуха. ЭДС, генерируема   чейкой 2 и фиксируема  измерительной схемой 7, будет зависеть только от разности средних температур и при уменьшении этой разности будет стремитьс  к нулю. Устройство настраиваетс  в таких услови х. Поскольку температурное поле нагревател  5 в районе электродов  чейки близко к равномерному (лини  I на фиг. 2), то температурное поле внутри трубки 8 в этом же районе будет определ тьс  законом изменени  толщины его стенки вдоль оси, так как тепловой поток с внешней стороны трубки 8 одинаков, а с внутренней .стороны ограничен теплопередачей от его внутренней стенки к анализируемому газу. При перемещении трубки 8 вдоль общей оси с нагревателем 5 и  чейкой 2 температурное поле внутри него и соответственно над электродаМИ смещаетс  по лини м. ММ и . В зависимости от разности температур по толщине стенки  чейки 2 и стенки перекрыти  электродов 4 и 3 выбираетс  такое положение трубки 8, при котором крутизна температурного пол  внутри нагревател  обеспечит выравнивание средних температур смещенных электродов  чейки 2. Настройку производ т с помощью механизма 9 и прекращают при установке стрелки индикатора в нулевое положение . Чем больше разность температур по толщине стенки и чем меньше электроды смещены, тем больша  крутизна температурного пол  (еобходима дл  выравнивани  вредних температур электродов и тем, соответственно, больше должна быть смещена трубка. 8 вправо (лини  IV на фиг. 2). При измерении настроенным устройством , т.е. при подаче анализируемого и эталонного газов к электроду 3 и  чейки .5, генерируема  ею ЭДС определ етс  только уравнением Нернста, так как средние температуры электродов равны и поэтому паразитна  термо- ЭДС отсутствует. Рабоча  температура  чейки при измерении контролируетс  с помощью термопары 6. Отрезки дТ , AT-j на фиг. 2 показывают каким должен быть перепад температур по толщине стенки  чейки в разных положени х элемента 8 (линии II, III и IV)- и при данном смещении электродов, чтобы средние их температуры были равны. Применение предлагаемого устройства позвол ет повысить точность измерени  содержани  кислорода в газовых средах и довести се до 0,5-1.0%. Экономический эффект от внедрени  .устройства на парогенераторах составл ет itS тыс. руб. в год. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  койцентрации кислорода, содержащее корпус с размещенными в нем твердоэлектролитной  чейкой со взаимно смещенными электродами, нагревателем, расположенным вокруг твердоэлектролитной  чейки, и термопарой, включенной в измерительную схему, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени , между нагревателем и твердоэлектролитной  чейкой установлена трубка из теплопровод щего материала с переменной толщиной стенки по длине. Источники информации, Р- н тые во внимание при экспертизе , Авторское свидетельство СССР ,f Г,дз719, кл. G 01 N , 1975.
2. 2. Авторское свидетельство СССР по за вке « 2795393/18-25, кл. G 01 N , 1979 (прототип).