УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ С ЗАДАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КИСЛОРОДА

Устройство относится к области аналитического приборостроения, в частности, к устройствам для приготовления газовых смесей, необходимых для калибровки, настройки и проверки (поверки) анализаторов кислорода в газовых смесях.
Известно устройство для приготовления газовой смеси в динамическом режиме, когда в поток газа-носителя с помощью дозатора вводится дозируемый газ (авторское свидетельство №469270, Кл. G 01 F 13/00, 1975). Известное устройство характеризуется недостаточной точностью и нестабильностью работы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство с электрохимическим дозированием кислорода (см. книгу Я.Ваня "Анализаторы газов и жидкостей", издательство "Энергия", Москва, 1970, глава 25, стр.497-499). В этом устройстве кислород дозируется в газ-носитель жидкостным электролизером, его количество регулируется величиной электрического тока, проходящего через электролизер. Зная расход газа-носителя, можно создать необходимую концентрацию кислорода.
К недостаткам устройства необходимо отнести его сложность и громоздкость.
Вместе с кислородом из электролизера выделяется водород, т.к. в результате электролиза разлагается вода. Водород может являться мешающим фактором в газовой смеси.
Из электролизера с потоком газовой смеси выносится аэрозоль электролита, от которого необходимо избавиться.
Устройство требует точного измерения расхода газа-носителя, т.к. от точности измерения расхода зависит точность создания газовой смеси.
В процессе эксплуатации жидкий электролит расходуется и его нужно пополнять.
С помощью рассматриваемого устройства невозможно создавать с высокой точностью газовые смеси с содержанием микроконцентраций кислорода менее 0,1%. Это обстоятельство обусловлено тем, что в применяемых для этих целей газах-носителях, например, в газообразном азоте содержание кислорода соизмеримо с создаваемой концентрацией. Кроме того, для указанной области микроконцентраций, выделяемый на электроде кислород формируется в виде пузырька, что приводит к неравномерному поступлению кислорода в газ-носитель, а следовательно не выполняется условие стабильности состава газовой смеси по содержанию кислорода.
На фигуре схематически изображено предлагаемое устройство.
2
2
3
Устройство состоит из дозирующей кулонометрической твердоэлектролитной ячейки 1 (КТЭЯ) и потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 2 (ПТЭЯ), выполненных, например, в виде пробирок из твердого электролита состава 0,85ZrO+0,15YО.
На внутренней и внешней поверхности пробирок нанесены методом вжигания металлические пористые электроды 3, 4, 5, 6, например, из мелкодисперсной платины. Пробирки помещены в нагреватель 7 для разогрева рабочей части, ограниченной электродами, до температуры 650-900°С, обеспечивающей кислородно-ионную проводимость твердых электролитов.
Торцы пробирок закреплены в установочных узлах 8, 9 и загерметизированы от доступа кислорода из окружающего атмосферного воздуха к внутреннему электроду пробирок (ячеек). Установочные узлы соединены между собой трубопроводом 10.
Установочный узел 8 соединен трубопроводом 11 с регулятором расхода 12 и далее с баллоном 13, в котором под давлением находится газ-носитель.
Нагреватель 7 и термопара 14, установленная у наружных электродов ячеек, подключены к регулятору температуры 15. С помощью регулятора температуры и термопары поддерживается заданная температура на электродах КТЭЯ и ПТЭЯ.
Поток газа-носителя из баллона 13 с определенным расходом, поддерживаемым регулятором расхода 12, поступает к внутреннему электроду 3 КТЭЯ, который затем, проходя в зазоре между газоподводящей трубкой и внутренней стенкой ячейки, омывает внутренний электрод 3. Наружный электрод 4 ПТЭЯ контактирует с окружающим атмосферным воздухом.
Под действием напряжения, приложенного к электродам КТЭЯ, осуществляется кулонометрический перенос кислорода из атмосферного воздуха в поток поступающего газа-носителя.
В установившемся режиме, при отсутствии кислорода в газе-носителе, на выходе из ячейки создается газовая смесь с концентрацией кислорода, которая в соответствии с законом Фарадея определяется формулой:
3
где С - концентрация кислорода, г/см;
I - ток переноса кислорода, А;
М - молекулярная масса кислорода, г;
3
Q - расход газа-носителя, см/с;
-1
F - число Фарадея, Кл·моль.
Однако, если в газе-носителе присутствует кислород, возникают определенные трудности, связанные с учетом его содержания, особенно при создании микроконцентраций.
Для этого в предлагаемом устройстве имеется дополнительная твердоэлектролитная ячейка ПТЭЯ 2, работающая в потенциометрическом режиме и управляющая работай КТЭЯ. ЭДС потенциометрической ячейки определяется формулой:
где Е - ЭДС, В;
R - газовая постоянная, Дж/моль·К;
Т - абсолютная температура ячейки, К;
а
С - концентрация кислорода в окружающем атмосферном воздухе, %;
гн
С - концентрация кислорода в газе-носителе, %.
Из уравнения (2) видно, что при постоянной концентрации кислорода в атмосферном воздухе и постоянной температуре потенциометрической ячейки величина ЭДС зависит только от концентрации кислорода в газе-носителе.
Применение потенциометрической ячейки позволило не только контролировать создаваемую концентрацию кислорода, но и автоматически ее регулировать.
На рисунке вместе с устройством приведена электрическая функциональная схема, поясняющая взаимосвязь КТЭЯ и ПТЭЯ.
Схема состоит из задатчика концентраций 16, блока коррекции 18, усилителя мощности 19 и измерительного усилителя 17.
На вход блока коррекции 18 поступает сигнал от задатчика концентраций 16, соответствующий требуемой величине создаваемой концентрации, и сигнал с ПТЭЯ, несущей информацию о действительной концентрации кислорода в газе-носителе. Выделяемый разностный сигнал в блоке коррекции 18 поступает в усилитель мощности 19, который управляет током КТЭЯ. Ток дозирующей ячейки изменяется до тех пор, пока сигнал потенциометрической ячейки не станет по величине равным, а по знаку противоположным сигналу задатчика концентраций. При этом условии в газе-носителе содержание кислорода соответствует концентрации, установленной задатчиком.
Принятое схемное решение позволяет относительно просто решить вопрос получения заданной концентрации при избытке кислорода в
исходном газе-носителе. В тех случаях, когда концентрация кислорода в исходном газе-носителе превышает необходимую, КТЭЯ откачивает кислород из газа носителя до заданного значения. Достигается это путем изменения полярности напряжения на электродах КТЭЯ.
Применение кулонометрической твердоэлектролитной дозирующей ячейки, вместо жидкостного электролизера, используемого в качестве дозирующего элемента в прототипе, упрощает конструкцию устройства для приготовления газовой смеси. КТЭЯ имеет стабильный состав и кроме кислорода не выделяет другие компоненты в газ-носитель. Она не нуждается в периодической регенерации, как жидкостной электролизер, в который периодически необходимо заливать электролит.
Применение потенциометрической твердоэлектролитной ячейки в качестве контрольной и управляющей повышает точность приготовления газовой смеси, т.к. концентрация кислорода в газе-носителе, в определенных пределах, не будет зависеть от точности установки расхода газа-носителя.
Кроме того совокупность применения ячеек КТЭЯ и ПТЭЯ позволяет работать с газом-носителем, в котором концентрация кислорода в исходном состоянии превышает необходимую.
Предлагаемое устройство особенно эффективно при приготовлении микроконцентраций кислорода.
В качестве газа-носителя могут применяться инертные газы и азот особой чистоты.
-4
В марте-апреле 2006 года разработан, изготовлен и испытан опытный образец предлагаемого устройства под названием "Бирюза-М". Испытаниями установлено, что "Бирюза-2М" приготавливает газовые смеси на основе азота и инертных газов с содержанием объемной доли кислорода от 1·10 до 1% с относительной погрешностью аттестации не более ±2%. Предполагается освоить серийное производство образцов "Бирюза-М".