СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КИСЛОРОДА В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ
METHOD TO MEASURE OXYGEN IN GAS MEDIA

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения концентрации кислорода в газовых смесях различного состава.
Известен способ определения состава газа (SU 1453301, опубл. 23.01.1989 г.) [1]. Способ осуществляют с помощью твердоэлектролитной ячейки, содержащей внутренний электрод и внешний электрод для контакта со сравнительной средой. Анализируемый газ подводят к одному из электродов ячейки через диффузионное сопротивление, подсоединяют к этому электроду положительный полюс источника напряжения на время, достаточное для заполнения внутреннего объема ячейки кислородом. Это время определяют по установлению постоянного значения ЭДС, измеряемого при отключенном токе. После заполнения внутреннего объема ячейки кислородом изменяют полярность приложенного напряжения на противоположную и одновременно с этим измеряют количество электричества. По количеству электричества, протекающему через твердоэлектролитную ячейку от момента изменения полярности приложенного напряжения до момента, когда ток примет постоянное значение, судят о концентрации кислорода в анализируемом газе.
Известный способ характеризуется дискретностью действия устройства для его реализации, а также сложностью и длительностью самого процесса измерения. Кроме того, реализация способа нуждается в системе пробоподготовки газа перед анализом, в частности, фильтрации диффузионного канала, в который подают анализируемый газ, т.к. он быстро зарастает пылью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения кислородосодержащих компонентов в газовых средах (SU 1427289, опубл. 30.09.1988 г.) [2]. Способ относится к потенциометрическим, его осуществляют с помощью ячейки с полостью, образованной кислородпроводящим твердым электролитом, выполненным в виде пробирки, на поверхностях которой расположены три электрода: неполяризуемые измерительный и эталонный электроды и дополнительный измерительный поляризуемый электрод. При этом неполяризуемый измерительный электрод и дополнительный измерительный поляризуемый электроды размещены внутри полости и омываются анализируемым газом. Неполяризуемый эталонный электрод находится снаружи и омывается газом с известным содержанием кислорода, в частности воздухом.
Известный способ осуществляют следующим образом. Ячейку помещают в атмосферу воздуха, который является эталонным газом. В полость ячейки посредством насоса, находящегося вне ячейки, подают анализируемый газ, из которого откачивают кислород посредством электрохимического (кислородного) насоса, находящегося в линии подачи анализируемого газа. После этого анализируемый газ омывает размещенные внутри полости ячейки неполяризуемый и поляризуемый измерительные электроды. Измеряют ЭДС между поляризуемым и дополнительным неполяризуемым измерительными электродами, находящимися в среде этого газа, и одновременно измеряют ЭДС между тем же неполяризуемым измерительным электродом и эталонным неполяризуемым электродом, омываемым эталонным газом, при одновременном титровании анализируемого газа. По полученным данным с помощью уравнения Нернста рассчитывают количество кислородосодержащего компонента.
Известный способ характеризуется сложностью аппаратурного оформления, т.к. устройство для его реализации содержит два насоса, один из которых электрохимический, три электрода, выполненные из материалов с разной поляризуемостью, имеющих различные режимы нанесения и припекания к твердому электролиту. Способ характеризуется также сложностью измерения и эксплуатации устройства, т.к. необходимо одновременно измерять ЭДС (разность потенциалов) между поляризуемым и неполяризуемым измерительными электродами и между неполяризуемым измерительным электродом и эталонным неполяризуемым, омываемым эталонным газом. Способ обладает низкой точностью измерений, т.к. поляризуемость электродного материала относится к качественной характеристике, а потому не имеет единиц измерения.
Задача настоящего изобретения заключается в создании простого в эксплуатации и более точного и быстродействующего способа измерения кислорода в газовых средах.
Для решения поставленной задачи предложен способ измерения кислорода в газовых средах, заключающийся в том, что используют ячейку с полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом, на противоположных поверхностях электролита расположены электроды, включая измерительный и эталонный, посредством электродов измеряют разность кислородных потенциалов между эталонным и анализируемым газом и по величине полученной ЭДС согласно уравнению Нернста рассчитывают количество кислорода в анализируемом газе. При этом в качестве эталонного газа используют чистый кислород, для чего используют ячейку с газоплотной полостью, образованную твердым электролитом, на противоположных поверхностях которого расположены две пары электродов, одна из которых выполняет функцию кислородного насоса, а другая содержит измерительный и эталонный электроды, причем эталонный электрод расположен внутри полости ячейки, ячейку помещают в поток анализируемого газа, в полость ячейки накачивают чистый кислород из анализируемого газа путем подачи напряжения постоянного тока на пару электродов, выполняющих функцию кислородного насоса, а посредством измерительного и эталонного электродов измеряют разность кислородных потенциалов между чистым кислородом, омывающим эталонный электрод, и анализируемым газом, омывающим измерительный электрод, и по величине этой ЭДС рассчитывают количество кислорода в анализируемом газе.
При этом используют ячейку с полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом в виде двух мембран, между которыми расположен капилляр, через который избыточное давление кислорода, возникающее в газоплотной полости ячейки, сбрасывают в анализируемый газовый поток.
При этом используют ячейку с полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом в виде двух мембран, соединенных между собой газоплотным герметиком. В частном случае используют ячейку с полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом в виде двух мембран, на противоположных поверхностях одной из которых расположена пара электродов, выполняющих функцию кислородного насоса, а на противоположных поверхностях другой - измерительный и эталонный электроды. Или же используют ячейку с полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом в виде двух мембран, на противоположных поверхностях одной из которых расположена пара электродов, выполняющих функцию кислородного насоса, а также измерительный и эталонный электроды. При этом используют ячейку, все электроды которой выполнены из одного материала.
Сущность заявленного способа заключается в следующем. Ячейку с газоплотной полостью, образованную кислородпроводящим твердым электролитом, помещают в поток анализируемого газа. Под действием напряжения, поданного к расположенным на противоположных поверхностях твердого электролита электродам, выполняющим функцию кислородного насоса, через твердый кислородпроводящий электролит происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость ячейки, в которой он накапливается, постоянно поддерживая атмосферу чистого кислорода.
Кислород, находящийся во внутренней полости ячейки, омывает эталонный электрод и генерирует на нем постоянный кислородный потенциал, соответствующий чистому кислороду. На измерительном электроде генерируется кислородный потенциал, соответствующий кислородосодержанию анализируемого газа. Посредством измерительного и эталонного электродов измеряют разность кислородных потенциалов и по величине этой ЭДС согласно уравнению Нернста рассчитывают содержание кислорода в анализируемом газе. Таким образом, поверхность твердого электролита с одной парой электродов работает в режиме кислородного насоса, а с другой - в режиме собственно потенциометрического датчика.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в сокращении количества измерений между электродами, отсутствии применения электродов из разных материалов с разной поляризуемостью, простоте изготовления устройств для реализации способа.
Способ иллюстрируется чертежом устройства для его реализации. Устройство содержит ячейку, состоящую из двух мембран 1 из кислородпроводящего твердого электролита, соединенных между собой газоплотным герметиком 2 с образованием внутренней газоплотной полости 3. На противоположных поверхностях одной из мембран 1 расположены два электрода 4, выполняющих функцию кислородного насоса. Между мембранами 1 расположен капилляр 5. На противоположных поверхностях другой мембраны расположены эталонный и измерительный электроды 6 и 7 для снятия разности кислородных потенциалов. При этом эталонный электрод 6 расположен внутри полости 3 ячейки. Подача напряжения на электроды 4 осуществляется источником напряжения (ИН). Измерение разности потенциалов между электродами 6 и 7 осуществляется потенциометром (П). Ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность. Под действием напряжения (0,5-1 В), приложенного от источника (ИН) к электродам 4 через твердый кислородпроводящий электролит, происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость 3 устройства. В полости 3 накапливается и постоянно поддерживается атмосфера чистого кислорода. Избыточное давление кислорода сбрасывается через капилляр 5 в анализируемый газ. Кислород, находящийся в полости 3, омывает эталонный электрод 6 и генерирует на нем постоянный кислородный потенциал, соответствующий чистому кислороду. На измерительном электроде 7 генерируется кислородный потенциал, соответствующий кислородосодержанию анализируемого газа. По разности кислородных потенциалов электродов 6 и 7 в соответствии с уравнением Нернста рассчитывают содержание кислорода в анализируемом газе:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>'</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>P</mi><mo>"</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>−</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где E - разность потенциалов между электродами 6 и 7 (Мв);
n - валентность кислорода, равная 2;
F - постоянная Фарадея (96496 K);
T - температура анализируемого газа в градусах Кельвина;
R - газовая постоянная (1,9873 кал/град*моль);
P'(O2) - парциальное давление кислорода на электроде 6 равное 1;
Р”(O2) - парциальное давление кислорода на электроде 7, равное концентрации кислорода в анализируемом газе.
Таким образом, заявленный способ измерения кислорода в газовых средах является более простым в эксплуатации, более точным и быстродействующим.