СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КИСЛОРОДОСОДЕРЖАНИЯ И ВЛАЖНОСТИ ГАЗА
METHOD TO MEASURE OXYGEN CONTENT AND MOISTURE OF GAS

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения кислородосодержания и влажности газов.
Из источника http://www.vlagomera.net/articl/articl2 известны следующие способы измерения влажности воздуха. Так, описан гигрометрический способ, основанный на изменении длины гигроскопических нитей (волос, или синтетических нитей). Использование приборов, основанных на гигрометрическом способе измерения, ограничено, т.к. точность таких измерений составляет около ±5% относительной влажности.
Известный психрометрический способ основан на физическом эффекте охлаждения при процессах испарения. Одним термометром считывают температуру окружающего воздуха, а другим - температуру влажного термометра. Термометр, считывающий температуру окружающего воздуха, увлажнен хлопковой тканью и обдувается воздухом со скоростью от 2 до 3 м/с. Испарение охлаждает термометр, и при наступлении состояния равновесия влажность подсчитывают по показаниям сухого и влажного термометра. Точность измерения в 1% относительной влажности достигается при использовании точных термометров, а также при условии аккуратного обслуживания оборудования.
Известный способ «зеркала точки росы» заключается в том, что используют поверхность с металлическим напылением, которую охлаждают до температуры, при которой из воздуха начинает выпадать роса. Температура, измеренная в этой точке, соответствует температуре точки росы. Ориентируясь на температуру окружающего воздуха, рассчитывают влажность. При таком способе измерения может быть достигнута точность 1% относительной влажности.
Известно измерение влажности с помощью емкостных датчиков. Способ основан на использовании влагочувствительных элементов, которые представляют собой тонкие стеклянные или керамические подложки с нанесенной на них электродной системой влагочувствительного полимерного слоя и слоя золота, проницаемого для паров воды. Полимерный гигроскопический слой впитывает молекулы воды, которые изменяют относительную диэлектрическую проницаемость системы. Емкостные датчики представляют собой влагозависимый конденсатор. Притом что емкость такого конденсатора является мерой относительной влажности окружающего его воздуха.
Известные способы измерения влажности воздуха, такие как психрометрический и способ «зеркала точки росы» являются достаточно точными, но дорогими и сложными в исполнении. Емкостные датчики влажности относительно просты и дешевы, но требуют периодической калибровки, что усложняет процесс измерения влажности воздуха.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения влажности газовых смесей с помощью твердоэлектролитного амперометрического датчика (RU 2483300, публ. 27.05.2013 г.). Способ заключается в том, что в поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположена пара электродов, к электродам дисков подают напряжение постоянного тока, посредством которого осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и откачку полученного в результате электролиза связанного кислорода из внутренней полости ячейки в поток анализируемого газа по электрохимической цепи: внутренние электроды-твердые электролиты-наружные электроды, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток обедненного по влаге газа из полости ячейки станет равным потоку анализируемого газа, поступающего в нее, измеряют протекающий через ячейку предельный ток, соответствующий количеству связанного кислорода, полученного в результате электролиза паров воды, находящихся в анализируемом газе, и по величине этого тока определяют влажность анализируемого газа.
Известный способ не предусматривает определение кислородосодержания в анализируемом газе. Между тем это имеет значение для многих научных, технологических и экологических процессов. Нужно отметить и то, что этот способ основан на применении датчика, твердоэлектролитные диски которого выполнены из разных материалов: один из протонпроводящего электролита, а второй из кислородпроводящего электролита. Эти материалы имеют разные коэффициенты линейного расширения, что усложняет герметизацию внутреннего объема датчика и может привести к растрескиванию герметика и выходу датчика из строя.
В отличие от известного способа в поток анализируемого газа помещают ячейку с полостью, образованную двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, при напряжении величиной 500-700 мВ откачивают свободный кислород, находящийся во внутренней полости ячейки и по величине предельного тока, соответствующего содержанию свободного кислорода в анализируемом газе, определяют кислородосодержание, при дальнейшем увеличении напряжения до 1300-1500 мВ из полости ячейки откачивают связанный кислород и по величине предельного тока, соответствующего суммарному содержанию свободного кислорода в анализируемом газе и связанного кислорода, полученного в результате электролиза паров воды, определяют влажность анализируемого газа.
Сущность заявленного способа заключается в следующем. Под действием напряжения в 500-700 мВ, поданного к электродам дисков из кислородпроводящего твердого электролита, откачивают кислород из внутренней полости ячейки в наружную атмосферу. Разряжение внутри полости ячейки, возникающее за счет откачки из нее кислорода, побуждает поступление в полость через капилляр анализируемого газа. Предельный ток, идущий через электрохимическую ячейку, будет соответствовать кислородосодержанию анализируемого газа. При дальнейшем увеличении напряжения постоянного тока, подаваемого на ячейку в пределах 1300-1500 мВ, весь свободный кислород из внутренней полости ячейки оказывается откачанным и начинается процесс электролиза влаги и откачка кислорода, образующегося в результате разложения паров воды. При этом амперметр показывает вторую величину предельного тока, которая соответствует сумме свободного кислорода и связанного кислорода, образовавшегося при электролизе влаги в анализируемой среде. В результате, измерение влажности анализируемого газа осуществляют путем последовательного измерения количества свободного кислорода и суммарного количества свободного и связанного кислорода, которое образовалось в результате электролиза находящейся в анализируемом газе влаги. По величинам предельных токов, соответствующих содержанию свободного и суммы свободного и связанного кислорода, определяют последовательно кислородосодержание и влажность анализируемого газа. Таким образом, заявленный способ расширяет арсенал средств для измерения влажности анализируемого газа и позволяет дополнительно определять кислородосодержание в нем. Применение в заявленном способе датчика, твердоэлектролитные диски которого выполнены из одного и того же материала электролита, повышает надежность эксплуатации способа.
На фиг.1 представлено устройство для реализации заявленного способа. Устройство состоит из двух дисков 1 из кислородпроводящего твердого электролита, соединенных между собой газоплотным герметиком 2 с образованием внутренней полости 3. В качестве кислородпроводящего твердого электролита использована двуокись циркония, стабилизированная оксидом иттрия. Могут быть использованы другие оксидные композиции, обеспечивающие число переноса за счет ионов кислорода, равное или близкое 1. На противоположных поверхностях дисков 1 расположены два электрода: наружный 4 и внутренний 5. Между дисками находится диффузионное сопротивление, выполненное в виде капилляра 6. Подача напряжения на электроды 4-5 осуществляется от источника постоянного тока (U). Измерение тока между электродами 4 и 5 осуществляется амперметром (A). Ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность и по капилляру поступает в ее внутреннюю полость 3. Под действием напряжения 500-700 мВ, приложенного от источника (U) к электродам 4 и 5 через твердый кислородпроводящий электролит, происходит откачка из полости 3 в окружающую ячейку газовую среду свободного кислорода, а затем при увеличении напряжения до значений в пределах 1300-1500 мВ кроме свободного кислорода идет откачка полученного в результате электролиза влаги в соответствии с уравнением (1):
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
и связанного кислорода. В стационарном режиме при напряжении 500-700 мВ из полости 3 постоянно откачивается свободный кислород, а при напряжении 1300-1500 мВ постоянно откачивается как свободный, так и связанный кислород, полученный в результате электролиза влаги. Вследствие возникающего разряжения из-за откачки кислорода посредством капилляра 6 в полость 3 постоянно поступает воздух из анализируемой среды. Соответствующая процессу откачки свободного кислорода величина предельного тока (
) на амперметре (A) будет характеризовать кислородосодержание анализируемого газа, а величина предельного тока (
) - соответственно суммарное содержание свободного и связанного кислорода (
) в анализируемом газе. Влажность анализируемого газа будет определяться величиной:
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup><mo>.</mo></mrow>
Описанный способ иллюстрируется фиг.2, на которой представлена вольт-амперная зависимость датчика при анализе сухого воздуха и воздуха, насыщенного влагой при 100°C, где
- предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию сухого воздуха (газа);
- предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию воздуха (газа), насыщенного влагой при 100°C;
- предельный ток датчика, соответствующий кислородосодержанию воздуха (газа) и его влажности.