Электрохимический детектор газов и паров

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к средствам измерений концентрации газов и паров.
Известен термохимический детектор кислорода (Кулаков М.В. и др. Технологические измерения и аналитические приборы в химической промышленности. М.: Машиностроение, 1964. С. 36-38), содержащий гальванический элемент, состоящий из пористого стеклянного цилиндра, укрепленного на металлическом держателе и обернутого слоем текстильной ленты, свинцовый электрод и катод, изготовленный из серебряной сетке.
При работе анализируемая газовая смесь проходит через увлажнитель, где насыщается влагой и захватывает попутно раствор электролита (раствор KOH), поступает в электролитическую ячейку. Раствор поступает сверху на гальванический элемент, непрерывно смачивая последний, а анализируемая газовая смесь омывает гальванический элемент в кольцевом пространстве между корпусом датчика и серебряным катодом. Ток, возникающий в цепи гальванического элемента, создает падение напряжения на внешним сопротивлении нагрузки. Последнее усиливается электронным усилителем и измеряется вторичным прибором.
Недостатком такого детектора является необходимость использования для его работы жидкого электролита, что ограничивает область его применения.
Наиболее близким по технической сущности является детектор с твердым электролитом, например оксидом циркония (Амманозаров А., Шарнапольский А.И. Методы и приборы для определения кислорода (газовый анализ) М.: Химия, 1988, С. 39-41), содержащий проточные камеры анализируемого и сравнительного газов, разделенные мембраной из твердого электролита, газопроницаемый каталитически активный измерительный электрод, нанесенный на боковую поверхность мембраны, обращенную в сторону камеры анализируемого газа, такой же по характеристикам сравнительный электрод, нагреватель, подключенный к стабилизированному источнику электропитания, и измеритель разности потенциалов между электродами.
В процессе работы с одной стороны мембрана омывается сравнительным газом с известной концентрацией кислорода, а с другой - анализируемом газом, концентрация кислорода в котором может изменяться. Разность потенциалов между электродами определяется разностью концентраций кислорода сравнительной и измерительной камерах.
Недостатком такого детектора является относительная узкая область применения, определяемая возможностью измерения концентрацией кислорода в газовых средах.
Проблемой полезной модели является создание электрохимического детектора, имеющего более широкую область применения, в частности детектора, обеспечивающего возможность измерения концентрации компонентов в процессе хроматографического анализа.
Технический результат - расширение области применения электрохимических детекторов газов и паров.
Технический результат достигается тем, что электрохимический детектор газов и паров содержащий проточные камеры анализируемого и сравнительного газов, разделенные мембраной из твердого электролита, газопроницаемый каталитически активный измерительный электрод, нанесенный на боковую поверхность мембраны, обращенную в сторону камеры анализируемого газа, такой же по характеристикам сравнительный электрод, нагреватель, подключенный к стабилизированному источнику электропитания, и измеритель разности потенциалов между электродами, согласно полезной модели дополнительно содержит цилиндрический стержень, изготовленный из того же твердого электролита, что и мембрана, и находящийся в электрическом контакте с этой мембраной, при этом сравнительный электрод нанесен на свободный торец стержня, а нагреватель расположен вокруг тела стержня, причем стержень и нагреватель размещены внутри камеры сравнительного газа.
Такая конструкция электрохимического детектора газов и паров позволяет использовать его для измерения концентрации горючих компонентов в анализируемом газе так, как при поступлении горючих компонентов в измерительную камеру детектора при температуре 350-500°С, происходит частичное каталитическое сгорание компонентов на каталитически активном электроде, расположенном в измерительной камере. При этом уменьшается концентрация кислорода в потоке воздуха, что вызывает разность потенциалов между электродами, так как концентрация кислорода в сравнительной камере остается постоянной.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема электрохимического детектора газов и паров показана на чертеже. Электрохимический детектор газов и паров содержит проточные камеры 1 и 2 анализируемого и сравнительного газов, разделенные мембраной 3 из твердого электролита, газопроницаемый каталитически активный измерительный электрод 4, нанесенный на боковую поверхность мембраны, обращенную в сторону камеры анализируемого газа, такой же по характеристикам сравнительный электрод 5, нагреватель 6, подключенный к стабилизированному источнику электропитания 7, и измеритель разности потенциалов 8 между электродами. Он дополнительно содержит цилиндрический стержень 9, изготовленный из того же твердого электролита, что и мембрана, и находящийся в электрическом контакте 10 с этой мембраной, при этом сравнительный электрод нанесен на свободный торец стержня, а нагреватель расположен вокруг тела стержня, причем стержень и нагреватель размещены внутри камеры сравнительного газа.
Электрохимический детектор газов и паров работает следующим образом. В проточную камеру 1 с постоянным объемным расходом поступает анализируемый газ, представляющий собой смесь воздуха с анализируемым горючим компонентов (горючим газом или парами горючими жидкого вещества), а в сравнительную камеру 2 с постоянным объемным расходом поступает воздух. Мембрана 3 из твердого электролита диоксид циркония через стержень 9 из того же электролита нагревается с помощью нагревателя 6, питающегося от источника электропитания 7, нагревается до температуры 350-500°С, что обеспечивает его электропроводность. Когда концентрация горючих веществ в потоке анализируемого воздуха равна нулю, разность потенциалов между электродами 4 и 5 также близка к нулю, а когда концентрация горючего вещества в потоке анализируемого воздуха, поступающего в камеру 1, отличается от нуля, на каталитически активном электроде 4 происходит частичное каталитически сгорание горючего вещества. При этом уменьшается концентрация кислорода на электроде 4, а разность потенциалов между электродами 4 и 5 становится отличной от нуля. Эта разность потенциалов поступает к измерителю разности потенциалов 8 и является выходным сигналов электрохимического детектора газов и паров. Экспериментально установлено, что сигнал детектора пропорционален объемной концентрации горючего вещества в потоке воздуха, поступающего в камеру 1.
Преимуществами предлагаемого технического решения является:
простота конструкции;
генераторный выходной сигнал;
малый объем проточной камеры анализируемого газа, обеспечивающий малую инерционность.
Предлагаемый электрохимический детектор может быть реализован на базе стандартных циркониевых датчиков кислорода и распространенной электроизмерительной аппаратуры.
Электрохимический детектор газов и паров может найти применение в системах контроля взрывоопасных концентраций на промышленных предприятиях и в газовой хроматографии.