УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в составе газоанализаторов, предназначенных для измерения парциального давления кислорода в барокамерах, оксигенотерапии, при азотировании металлов и в других замкнутых объемах, давление в которых изменяется в широких пределах.
Известно устройство для анализа состава газа (а.с. СССР №911298 МПК G 01 №27/46), которое предназначено для работы при меняющемся в широких пределах давлении. Устройство содержит установленные в анализируемой среде потенциометрическую измерительную и дополнительную твердоэлектролитные ячейки, выполненные каждая в виде обогреваемой емкости, разделенной на катодное и анодное пространство твердым электролитом. Анодное пространство потенциометрической измерительной ячейки контактирует с анализируемой средой, а катодное пространство соединено с анодным пространством дополнительной твердоэлектролитной ячейкой.
Под действием приложенного к электродам дополнительной твердоэлектролитной ячейки напряжения через твердый электролит переносятся ионы кислорода, которые разряжаясь, выделяются в анодном пространстве дополнительной твердоэлектролитной ячейки в виде газа, перетекающего в катодное пространство потенциометрической ячейки. Таким образом, в течение некоторого времени в катодном пространстве создается концентрация кислорода, в объемных долях равная практически единице.
Для получения возможности определения состава газа при изменяющемся в широких пределах давления, устройство снабжено регулятором массового расхода газа по давлению, соединенным с катодным пространством дополнительной ячейки и выполненным в виде
установленной вертикально в анализируемой среде обогреваемой емкости, открытой снизу и ограниченной сверху пневматическим сопротивлением, обеспечивающим необходимый расход анализируемого газа. Для исключения диффузии против потока газа (противодиффузию) катодное пространство измерительной ячейки соединено трубопроводом с анализируемой средой.
К недостаткам этого устройства следует отнести сложное аппаратурное оформление.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является датчик газоанализатора кислорода (Патент РФ 51228 МПК G 01 №27/00). В качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, работающая при температуре от 600 до 700°С. Сущность потенциометрического метода заключается в измерении разности потенциалов между рабочим и сравнительным электродами потенциометрической ячейки при стабильно поддерживаемой температуре в рабочей зоне ячейки. Ячейка выполняется в виде пробирки из циркониевой керамики, обладающей при температуре более 600°С кислородоионной проводимостью. Рабочей частью ячейки является донышко, на которое с обеих сторон нанесены пористые металлические электроды из мелкодисперсной платины. Рабочим электродом является внутренний электрод, электродом сравнения - наружный. С наружной стороны ячейка омывается за счет естественной конвекции окружающим воздухом, который является сравнительной средой. Анализируемый газ, поступив в ячейку омывает рабочий электрод и свободно выходит в атмосферу.
-6
Рассмотренный датчик газоанализатора кислорода позволяет измерять концентрацию кислорода в широком диапазоне (от 10 до 100% об.). Однако при измерении парциальных давлений кислорода, в случаях, когда давление сравнительной среды изменяется в широких пределах, датчик газоанализатора кислорода обладает большой погрешностью измерений.
Целью полезной модели является упрощение газовой схемы устройства и исключение влияния изменения давления в сравнительной среде.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента используется потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка, а парциальное давление на электроде сравнения создается путем пропускания через твердоэлектролитную ячейку определенного количества электричества.
На фигуре представлен чертеж устройства для измерения парциального давления кислорода.
2
2
3
Газ из анализируемой среды под давлением от 30 до 160 кПа через штуцер 1 "ВХОД ГАЗА" поступает в газовый тракт устройства. Фильтр 2 служит для очистки анализируемого газа от механических примесей, а пневматическое сопротивление (дроссель) 3 обеспечивает необходимый расход анализируемого газа через устройство. Далее газ через керамическую трубку 4 поступает в потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку 5 (ПТЭЯ), детали которой изготовлены из твердоэлектролитной керамики состава 0,85ZrO+0,15YO и герметично соединены высокотемпературным клеем, имеющим температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близкий к ТКЛР твердоэлектролитной керамики. Эти детали образуют рабочую камеру 6 с рабочим измерительным электродом 7 и герметичную сравнительную камеру 8 с электродом сравнения 9. Электроды выполнены из газопроницаемой пористой платины, а токоотводы из платиновой проволоки выведены на контакты 10 и 11 соответственно.
Устройство также содержит нагреватель 12, температура в котором измеряется термопарой 13, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется внешним регулятором температуры.
Анализируемый газ омывает рабочий измерительный электрод 7 ПТЭЯ и сбрасывается в дренаж через штуцер 14 "ВЫХОД ГАЗА".
Для подтверждения промышленной применимости полезной модели приведен пример ее конкретной реализации, который не исчерпывает сущности заявляемого решения.
1
2
С помощью нагревателя нагревают ПТЭЯ до постоянной температуры в пределах от 600 до 900°С. В качестве рабочей температуры выбрана температура (634±2)°С (907 К), которая измеряется с помощью термопары. После установления температуры на этом уровне к рабочему измерительному электроду ПТЭЯ поочередно подается поверочная газовая смесь (ПГС) кислород-азот с объемной долей кислорода 9,08 и 99,47% и для каждой концентрации ПГС измеряется ЭДС E и Е на контактах 10 и 11. Используя эти данные рассчитывают значение температуры ПТЭЯ по следующей формуле:
где Т - рабочая температура ПТЭЯ, К;
1
2
E и E - ЭДС ПТЭЯ при подаче первой и второй ПГС, соответственно, В;
1
2
C и С - объемная доля кислорода в первой и второй ПГС, соответственно, %.
1
2
Рассчитанная температура ПТЭЯ оказалась ниже рабочей на 26 К. С помощью регулировочных органов регулятора температура была повышена на 26 К. При этой температуре поочередно подавались обе ПГС и были измерены ЭДС E и Е и вновь рассчитана температура ПТЭЯ. Температура оказалась на 1 К выше рабочей, что соответствует норме. При этом температура, измеренная термопарой, на 27 К выше рабочей.
После установления рабочей температуры производится электрохимическое извлечение кислорода из сравнительной камеры ПТЭЯ, для чего к электродам ячейки от внешнего источника тока прикладывается напряжение 0,65 В (плюс к рабочему измерительному электроду). Начальный
ток через ячейку был равен 2 мА, поэтому извлечение кислорода прекращается, когда ток становится меньше 0,002 мА.
После электрохимического извлечения кислорода в сравнительную камеру для создания известного парциального давления дозируется кислород путем пропускания определенного количества электричества. Дозирование кислорода проводится при постоянном значении тока, равном 0,5 мА, в течение 32 с, в результате чего в сравнительной камере ПТЭЯ создается парциальное давление кислорода 5,03 кПа, величина которого сохраняется в течение 10 ч. По истечение этого времени, или, если устройство было отключено раньше этого времени, при следующем включении требуется выполнение процедуры электрохимического извлечения кислорода из сравнительной камеры и последующего дозирования кислорода для создания сравнительного парциального давления 5,03 кПа значение которого подставляется в следующую формулу:
x
0
-
где P и Pпарциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа;
4F - количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль;
Е - ЭДС ПТЭЯ, В;
R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К).
Изготовлены опытные образцы устройства для измерения парциального давления кислорода. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения парциального давления кислорода в диапазоне от 5 до 25 кПа.