УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОВЕРОЧНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ С ЗАДАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для метрологического обеспечения газоанализаторов, измеряющих макроконцентрации кислорода.
Известен способ приготовления поверочных газовых смесей с заданным содержанием кислорода (а.с. СССР 1499200 МПК G 01 №27/46). Способ основан на дозировании кислорода из атмосферного воздуха в поток предварительно очищенного от влаги и кислорода газа с помощью высокотемпературной твердоэлектролитной ячейки при температуре нагрева 1023...1173К, химическом превращении в воду продозированного кислорода с водородом в твердоэлектролитной ячейке, последующем непрерывном извлечении этой воды и одновременном электролитическом ее разложении на водород и кислород в кулонометрической ячейке и выделении последних в газовый поток.
Дозирование кислорода и электролиз воды осуществляют при равных значениях тока дозирования и тока электролиза, причем соотношения количества дозируемого кислорода и количества одновременно подвергаемой электролизу воды непрерывно поддерживают постоянным в соответствии со стехиометрией уравнения окисления водорода, а избыток воды пропускают через кулонометрическую ячейку и осушают.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- сложное конструктивное исполнение;
- создаваемая поверочная газовая смесь имеет микро- и ультрамалые содержания кислорода.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции и расширение диапазона создаваемых поверочных газовых смесей в сторону получения макроконцентраций содержания кислорода.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве исходной газовой смеси используется поверочная газовая смесь кислород-азот, в которую с помощью кулонометрической твердоэлектролитной ячейки (КТЭЯ) дозируется заданное количество кислорода, а содержание кислорода в полученной поверочной газовой смеси измеряется с помощью диффузионной твердоэлектролитной ячейки (ДТЭЯ).
2
2
3
На фигуре приведен чертеж устройства для приготовления поверочных газовых смесей с заданным содержанием кислорода. Исходная поверочная газовая смесь «кислород-азот» с содержанием кислорода 99% через штуцер ВХОД ГАЗА 1 поступает в дозирующую КТЭЯ, которая выполнена в виде пробирки 2 из керамики состава 0,85 ZrО+0,15YO, обладающей кислородоионной проводимостью при температуре более 650К. На внутреннюю и внешнюю поверхности пробирки нанесены и впечены электроды 3 и 4 из мелкодисперсной платины. Токоотводы 5 и 6 от электродов выполнены из платиновой проволоки и впечены в электроды. КТЭЯ размещена в нагревателе 7, который обеспечивает разогрев ее рабочей части, ограниченной электродами, до температуры, достаточной для достижения ионной проводимости твердого электролита. Температура поддерживается внешним регулятором температуры и измеряется термопарой 8. К токоотводам 5 и 6 последовательно подключены источник постоянного напряжения и измеритель тока (на фигуре не показаны), причем к внутреннему электроду КТЭЯ подключен положительный полюс источника постоянного напряжения. Наружный электрод КТЭЯ контактирует с атмосферным воздухом, а внутренний электрод омывается газовой смесью, расход которой поддерживается
постоянным. Под действием напряжения, приложенного к электродам КТЭЯ, осуществляется кулонометрический перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток исходной поверочной газовой смеси.
В установившемся режиме концентрация исходной поверочной газовой смеси увеличивается на величину ΔС, которая в соответствии с законом Фарадея определяется по формуле:
где ΔC - концентрация продозированного кислорода;
О2
Э - электрохимический эквивалент кислорода;
Q - расход полученной поверочной газовой смеси;
I - ток переноса кислорода.
Таким образом, точность дозирования кислорода в диапазоне концентраций от 0,001 до 1% в основном определяется точностью измерения тока переноса кислорода, которая определяется классом точности токоизмерительного прибора и точностью поддержания расхода газа.
2
2
3
Для исключения влияния изменения расхода газа в предлагаемом устройстве предусмотрен контроль полученной поверочной газовой смеси с помощью ДТЭЯ, которая содержит пробирку 9 из твердого электролита состава 0,85 ZrО+0,15YO. На пробирку нанесены внутренний 10 и наружный 11 электроды из пористой мелкодисперсной платины, токоотводы от которых закреплены на контактах 12 и 13 соответственно. К пробирке герметично с помощью высокотемпературного клея подсоединен капилляр 14.
Полученная поверочная газовая смесь через каналы газового тракта поступает на штуцер ВЫХОД ГАЗА 15, омывая вход в капилляр. Равномерное температурное поле в рабочей области ДТЭЯ создается
нагревателем 16 от внешнего регулятора температуры, а контроль температуры осуществляется термопарой 17.
В рабочем режиме под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания к электродам ДТЭЯ (минус источника - к внутреннему электроду, размещенному в катодной камере) кислород извлекается из катодной камеры и переносится через твердый электролит в окружающий атмосферный воздух, а в катодной камере накапливается азот. По мере накопления возрастает поток азота, направленный из катодной камеры ДТЭЯ в полученную поверочную газовую смесь. С течением времени устанавливается стационарное состояние, когда диффузионный поток азота из катодной камеры ДТЭЯ становится равным потоку азота, поступающему в катодную камеру. При этом, поток кислорода через диффузионный барьер в катодную камеру имеет постоянное значение.
Ток, протекающий через ДТЭЯ в процессе достижения стационарного состояния, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током.
Концентрация кислорода в полученной поверочной газовой смеси связана с предельным диффузионным током соотношением
где С - концентрация кислорода в полученной поверочной газовой смеси;
пр
I - предельный диффузионный ток;
R - молярная газовая постоянная;
Т - температура в капилляре;
L - длина капилляра;
4F - количество электричества, необходимого для переноса одного моля кислорода;
Р - давление в капилляре;
D - коэффициент диффузии азота;
S - площадь сечения диффузионного потока.
Экспериментальные исследования предлагаемого устройства подтвердили возможность создания поверочных газовых смесей в диапазоне 99...100% с абсолютной погрешностью ±0,1%.
Данное устройство предполагается использовать при поверке газоанализаторов кислорода в криогенной технике при производстве медицинского кислорода.