УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
DEVICE FOR DETERMINING OXYGEN AND HYDROGEN CONCENTRATION IN GAS MEDIUM

Изобретение относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров газовых сред, в частности содержащих кислород и водород.
Известно устройство «Система контроля горючих и взрывоопасных газов на основе твердоэлектролитных керамических чувствительных элементов» авторов П.Н. Мартынова, М.Е. Чернова, А.Н. Стороженко, В.М. Шелеметьева, Р.П. Садовничего, А.С. Фомина [Известия вузов. Ядерная энергетика №4, 2011 стр.3-8], включающее два сенсора кислорода, подключенные к регистрирующим приборам, герметично соединенные с трубой, по которой осуществляется принудительная прокачка анализируемой газовой среды. Сенсоры кислорода, выполненные на основе твердоэлектролитных керамических чувствительных элементов, расположены в металлических корпусах, оборудованных нагревателями и термопреобразователями для поддержания постоянной температуры. На входе одного из сенсоров кислорода установлен входной каталитически активный элемент.
Недостатком известного устройства является сложность его использования в автономном режиме ввиду необходимости принудительной прокачки анализируемой газовой среды через канал, герметично соединенный с сенсорами кислорода, и невозможности измерения концентрации кислорода в присутствии водорода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является газоанализатор для определения концентрации кислорода в водородосодержащей газовой среде [патент РФ на изобретение №2293972, МПК G01N 27/12, 2004], включающий газовые сенсоры, подключенные к регистрирующим приборам, канал и каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала. В качестве газовых сенсоров используется входной сенсор водорода, установленный во входной части полости канала, выходные сенсоры водорода и кислорода, расположенные в выходной части полости канала. Входной и выходной сенсоры водорода, сенсор кислорода и каталитически активный элемент подключены, по меньшей мере, к одному источнику питания.
Недостатками указанного технического решения являются низкие быстродействие и чувствительность устройства, а также отсутствие защиты от ошибочных показаний, которые возникают при возможном изменении направления потока анализируемой газовой среды в канале, т.е. в случае, когда анализируемая газовая среда попадает в канал через выходную часть полости канала, вследствие чего определение истинной концентрации кислорода оказывается ошибочным.
Задачей технического решения является исключение указанных недостатков, а именно повышение быстродействия и чувствительности, обеспечение защиты от ошибочных показаний устройства.
Для решения поставленной задачи в устройстве, включающем канат, входной сенсор водорода, расположенный во входной части полости канала, входной каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала, выходной сенсор водорода и выходной сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала, причем сенсоры подключены к системе регистрации и управления, предлагается:
- дополнительно снабдить устройство входным сенсором кислорода, поместив его во входной части полости канала;
- дополнительно снабдить устройство выходным каталитически активным элементом, установив его в верхней части полости канала над выходными сенсорами кислорода и водорода;
- входной и выходной каталитически активные элементы выполнить из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием;
- в качестве сенсоров водорода использовать твердоэлектролитный датчик концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики.
Принципиальная схема устройства представлена на чертеже 1, на котором приняты следующие обозначения: 1 - входной каталитически активный элемент, 2 - входной сенсор водорода, 3 - входной сенсор кислорода, 4 - выходной каталитически активный элемент, 5 - выходной сенсор водорода; 6 - выходной сенсор кислорода, 7 - канал, 8 - нагреватель, 9 - электрические связи.
Устройство содержит: канал 7, расположенный под углом к горизонту, входной сенсор водорода 2 и входной сенсор кислорода 3, расположенные во входной части полости канала 7, входной каталитически активный элемент 1, установленный в полости канала 7 над входными сенсорами водорода 2 и кислорода 3, выходной сенсора водорода 5 и выходной сенсор кислорода 6, расположенные в полости канала 7 между входным 1 и выходным 4 каталитически активными элементами. Причем входной 1 и выходной 4 каталитически активные элементы выполнены из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием. В качестве входного сенсора водорода 2 и выходного сенсора водорода 5 использованы твердоэлектролитные датчики концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики. Входной сенсор кислорода 3 используется в качестве сигнализатора появления водорода в исследуемой газовой среде. Изменение сигнала входного датчика кислорода 3 происходит при появлении водорода в исследуемой газовой среде благодаря взаимодействию водорода и кислорода и сорбционным процессам на поверхности керамического чувствительного элемента входного датчика кислорода 3.
-3
Такая конструкция устройства позволяет фиксировать появление сверхмалых концентраций водорода (~5×10% об.) в анализируемой газовой среде за интервал времени не более нескольких секунд. Установка выходного каталитически активного элемента, который производит каталитическое дожигание кислорода и водорода, обеспечивает корректную работу выходного сенсора кислорода и защиту от ошибочных показаний устройства.
Устройство работает следующим образом:
Анализируемая газовая среда входит в контакт с нагретыми до высокой температуры входным сенсором водорода 2 и входным сенсором кислорода 3, установленными во входной части полости канала 7. При этом входной сенсор кислорода 3 работает в режиме сигнализатора появления малых и сверхмалых концентраций водорода в анализируемой газовой среде. Концентрацию кислорода входным сенсором кислорода 3 в анализируемой газовой среде не определяют, так как этому измерению мешает присутствие водорода.
Далее анализируемая газовая среда за счет естественной конвекции, образуемой нагретыми до высокой температуры входными сенсорами водорода 2 и кислорода 3, и нагревателем 8, проходит в полости канала через входной каталитически активный элемент 1, выполненный, например, из высокопористых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием и нагретый с помощью нагревателя 8 до температуры, обеспечивающей, протекание каталитической реакции окисления водорода на его поверхности до паров воды с коэффициентом рекомбинации, равным единице.
Затем анализируемая газовая среда входит в контакт с нагретыми до высокой температуры выходным сенсором водорода 5 и выходным сенсором кислорода 6, установленными в полости канала после входного каталитически активного элемента 1. При помощи электрических связей 9 сигналы с входных сенсоров водорода 2 и кислорода 3 и выходных сенсоров водорода 5 и кислорода 6 могут быть переданы на систему регистрации для определения концентрации водорода и кислорода в анализируемой газовой среде. Затем анализируемая газовая смесь покидает полость канала 7 через выходной каталитически активный элемент 4, причем выходной каталитически активный элемент 4 не оборудован нагревателем, а его нагрев осуществляется за счет нагретой газовыми сенсорами и входным каталитически активным элементом анализируемой газовой средой.
Для предотвращения проникновения анализируемой газовой среды на выходной сенсор водорода 5 и выходной сенсор кислорода 6 через верхнюю часть канала 7 в ней устанавливается выходной каталитически активный элемент 4, который производит каталитическое дожигание кислорода и водорода в случае возможного изменения направления потока анализируемой газовой среды в канале и обеспечивает, таким образом, корректную работу выходного сенсора кислорода 6 и защиту от ошибочных показаний устройства.
Истинную концентрацию кислорода в анализируемой газовой среде определяют по соотношению:
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>К</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mtext>(1)</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
ст
где
- концентрация кислорода, фиксируемая выходным сенсором кислорода 6;
- концентрация водорода, фиксируемая входным сенсором водорода 2;
- концентрация водорода, фиксируемая выходным сенсором водорода 6; К - стехиометрический коэффициент
.
Пример конкретного выполнении устройства
Канал 1 выполнен из нержавеющей коррозионно-стойкой стали и расположен таким образом, что ось канала образует угол 90° с направлением горизонта.
В качестве входного 3 и выходного 6 сенсоров кислорода используются твердоэлектролитные датчики концентрации кислорода с гальванической концентрационной ячейкой на основе кислородопроводящего твердого электролита из частично стабилизированного диоксида циркония [Патент РФ №2298176, «Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода и способы его изготовления»].
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>o</mi><mi>б</mi><mo>.</mo><mi>%</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>16</mn><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mo>.</mo><mi>%</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
В качестве входного сенсора водорода 2 и выходного сенсора водорода 5 используются твердоэлектролитные датчики водорода для газовых и жидких сред с гальванической концентрационной ячейкой на основе кислородопроводящего твердого электролита из частично стабилизированного диоксида циркония, оснащенные камерой с постоянным давлением паров воды и водородопроницаемой мембраной [Патент РФ №90907, «Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред»]. При поступлении на вход устройства газовой смеси, содержащей 6 об.% водорода, показания газовых сенсоров были следующими:
,
,
. Определенная по формуле (1) истинная концентрация кислорода
составила 19%.
Технический результат заключается в повышении быстродействия и чувствительности устройства, обеспечении защиты от ошибочных показаний устройства вследствие возможного изменения направления потока анализируемой газовой среды в полости канала.