RU59245U1 - DEVICE FOR MEASURING PARTIAL OXYGEN PRESSURE - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в составе газоанализаторов, предназначенных для измерения парциального давления кислорода в барокамерах, в барозалах, оксигенотерапии, при азотировании металлов и в других замкнутых объемах, давление сравнительной среды в которых изменяется в широких пределах. Цель полезной модели -упрощение газовой схемы устройства и исключение влияния изменения давления в сравнительной среде. Предлагаемое устройство состоит из потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, детали которой изготовлены из твердоэлектролитной керамики состава 0,85ZrO₂+0,15Y₂О₃ и соединены высокотемпературным клеем, имеющим температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близкий к ТКЛР твердоэлектролитной керамики. Эти детали образуют рабочую камеру с рабочим измерительным электродом и герметичную сравнительную камеру с электродом сравнения. Электроды выполнены из газопроницаемой пористой мелкодисперсной платины. Потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка размещена в нагревателе, температура в котором измеряется термопарой, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется внешним регулятором температуры. Используя две поверочные газовые смеси, концентрации кислорода в которых отличается не менее чем в два раза, устанавливают рабочую температуру (634±2)°С (907 К), затем осуществляется электрохимическое удаление кислорода из сравнительной камеры и дальнейшее дозирование в The proposed utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a part of gas analyzers designed to measure the partial pressure of oxygen in pressure chambers, in barozals, oxygen therapy, with nitriding of metals and in other confined volumes, the pressure of the comparative medium in which varies widely. The purpose of the utility model is to simplify the gas circuit of the device and to eliminate the influence of pressure changes in the comparative medium. The proposed device consists of a potentiometric solid electrolyte cell, the details of which are made of solid electrolytic ceramics with a composition of 0.85ZrO ₂ + 0.15Y ₂ O ₃ and are connected by a high-temperature adhesive having a temperature coefficient of linear expansion (TEC) close to that of the TEC of solid electrolyte ceramics. These parts form a working chamber with a working measuring electrode and a sealed comparative chamber with a reference electrode. The electrodes are made of gas-permeable porous finely divided platinum. The potentiometric solid electrolyte cell is placed in the heater, the temperature in which is measured by a thermocouple, and the installation and maintenance of the working temperature is carried out by an external temperature controller. Using two calibration gas mixtures, the oxygen concentration of which differs by at least two times, the working temperature is set (634 ± 2) ° C (907 K), then oxygen is electrochemically removed from the comparative chamber and then dosed

нее кислорода с парциальным давлением 5,03 кПа, которое сохраняется в течение 10 ч. Для проведения измерений газ из анализируемой среды подается в рабочую камеру, омывает рабочий измерительный электрод и сбрасывается в дренаж. Парциальное давление кислорода в анализируемой среде рассчитывается по формуле: где P_x и P₀ - парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа; 4F - количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль; Е - ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки. В; R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К); Т - рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, К. Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом.oxygen with a partial pressure of 5.03 kPa, which is stored for 10 hours. For measurements, gas from the analyzed medium is fed into the working chamber, washes the working measuring electrode and discharged into the drain. The partial pressure of oxygen in the analyzed medium is calculated by the formula: where P _x and P ₀ is the partial pressure of oxygen in the analyzed and comparative media, respectively, kPa; 4F - the amount of electricity needed to transfer one mole of oxygen, C / mol; E - EMF potentiometric solid electrolyte cell. AT; R is the molar gas constant, J / (mol · K); T is the operating temperature of the potentiometric solid electrolyte cell, K. The proposed device is illustrated in the drawing.

Description

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.The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a part of gas analyzers designed to measure the partial pressure of oxygen in pressure chambers, oxygen therapy, nitriding of metals and in other closed volumes, the pressure in which varies widely.

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.A device is known for analyzing the composition of gas (USSR AS No. 911298 IPC G 01 No. 27/46), which is designed to operate at varying pressures over a wide range. The device contains a potentiometric measuring and additional solid electrolyte cells installed in the analyzed medium, each made in the form of a heated vessel, divided into a cathode and anode space by a solid electrolyte. The anode space of the potentiometric measuring cell is in contact with the analyzed medium, and the cathode space is connected to the anode space with an additional solid electrolyte cell.

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.Under the action of the voltage applied to the electrodes of the additional solid electrolyte cell, oxygen ions are transported through the solid electrolyte, which, when discharged, are released in the anode space of the additional solid electrolyte cell in the form of gas flowing into the cathode space of the potentiometric cell. Thus, for some time an oxygen concentration is created in the cathode space, in volume fractions equal to almost unity.

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 To be able to determine the composition of the gas at varying over a wide pressure range, the device is equipped with a gas mass flow rate regulator connected to the cathode space of the additional cell and made in the form

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.installed vertically in the analyzed medium, a heated container, open from below and bounded above by pneumatic resistance, providing the required flow rate of the analyzed gas. To exclude diffusion against the gas flow (anti-diffusion), the cathode space of the measuring cell is connected by a pipeline to the analyzed medium.

К недостаткам этого устройства следует отнести сложное аппаратурное оформление.The disadvantages of this device include complex hardware design.

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.The closest in technical essence to the claimed utility model is an oxygen gas analyzer sensor (RF Patent 51228 IPC G 01 No. 27/00). A potentiometric solid electrolyte cell operating at a temperature of 600 to 700 ° C is used as a sensitive element. The essence of the potentiometric method is to measure the potential difference between the working and comparative electrodes of the potentiometric cell at a stably maintained temperature in the working area of the cell. The cell is made in the form of a test tube made of zirconium ceramics having oxygen-ionic conductivity at a temperature of more than 600 ° C. The working part of the cell is the bottom, on which porous metal electrodes of finely dispersed platinum are applied on both sides. The working electrode is the inner electrode, the reference electrode is the outer one. From the outside, the cell is washed due to natural convection by the surrounding air, which is a comparative medium. The analyzed gas, entering the cell, washes the working electrode and freely enters the atmosphere.

Рассмотренный датчик газоанализатора кислорода позволяет измерять концентрацию кислорода в широком диапазоне (от 10^-6 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.The considered oxygen gas analyzer sensor allows you to measure the oxygen concentration in a wide range (from 10 ^-6 to 100% vol.). However, when measuring the partial pressures of oxygen, in cases where the pressure of the comparative medium varies widely, the sensor of the oxygen analyzer has a large measurement error.

Целью полезной модели является упрощение газовой схемы устройства и исключение влияния изменения давления в сравнительной среде.The purpose of the utility model is to simplify the gas circuit of the device and to eliminate the influence of pressure changes in the comparative medium.

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.This goal is achieved by the fact that a potentiometric solid electrolyte cell is used as a sensitive element, and the partial pressure on the reference electrode is created by passing a certain amount of electricity through the solid electrolyte cell.

На фигуре представлен чертеж устройства для измерения парциального давления кислорода.The figure shows a drawing of a device for measuring the partial pressure of oxygen.

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 0,85ZrO₂+0,15Y₂O₃ 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.Gas from the analyzed medium under pressure from 30 to 160 kPa through the nozzle 1 "GAS INPUT" enters the gas path of the device. Filter 2 is used to clean the analyzed gas from mechanical impurities, and pneumatic resistance (throttle) 3 provides the required flow rate of the analyzed gas through the device. Next, the gas through a ceramic tube 4 enters a potentiometric solid electrolyte cell 5 (PTEJ), the details of which are made of solid electrolyte ceramics with a composition of 0.85ZrO ₂ + 0.15Y ₂ O ₃ and hermetically connected by a high-temperature adhesive having a temperature coefficient of linear expansion (TEC) close to TECL solid electrolyte ceramics. These parts form a working chamber 6 with a working measuring electrode 7 and a sealed comparative chamber 8 with a reference electrode 9. The electrodes are made of gas-permeable porous platinum, and the collectors of platinum wire are connected to terminals 10 and 11, respectively.

Устройство также содержит нагреватель 12, температура в котором измеряется термопарой 13, а установка и поддержание рабочей температуры осуществляется внешним регулятором температуры.The device also includes a heater 12, the temperature in which is measured by a thermocouple 13, and the installation and maintenance of the operating temperature is carried out by an external temperature controller.

Анализируемый газ омывает рабочий измерительный электрод 7 ПТЭЯ и сбрасывается в дренаж через штуцер 14 "ВЫХОД ГАЗА".The analyzed gas is washed by the working measuring electrode 7 PTEI and discharged into the drain through the nozzle 14 "GAS OUT".

Для подтверждения промышленной применимости полезной модели приведен пример ее конкретной реализации, который не исчерпывает сущности заявляемого решения.To confirm the industrial applicability of the utility model, an example of its specific implementation is given, which does not exhaust the essence of the proposed solution.

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 E₁ и Е₂ на контактах 10 и 11. Используя эти данные рассчитывают значение температуры ПТЭЯ по следующей формуле:Using a heater, the PTEJ is heated to a constant temperature in the range from 600 to 900 ° C. The temperature (634 ± 2) ° С (907 К), which is measured using a thermocouple, was chosen as the operating temperature. After setting the temperature at this level, a test gas mixture (CBC) oxygen-nitrogen with a volume fraction of oxygen of 9.08 and 99.47% is alternately supplied to the working measuring electrode of PTEJ and the emf E ₁ and E ₂ at contacts 10 and 11. Using these data, the temperature value of PTEJ is calculated according to the following formula:

где Т - рабочая температура ПТЭЯ, К;where T is the operating temperature of PTEJ, K;

E₁ и E₂ - ЭДС ПТЭЯ при подаче первой и второй ПГС, соответственно, В;E ₁ and E ₂ - EMF PTEI when applying the first and second ASG, respectively, In;

C₁ и С₂ - объемная доля кислорода в первой и второй ПГС, соответственно, %.C ₁ and C ₂ - volume fraction of oxygen in the first and second ASG, respectively,%.

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 E₁ и Е₂ 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.The calculated temperature of the PTEJ turned out to be 26 K lower than the operating temperature. With the help of the regulating organs of the regulator, the temperature was increased by 26 K. At this temperature both ASGs were applied alternately and the emf E ₁ and E ₂ were measured and the temperature of PTEJ was again calculated. The temperature turned out to be 1 K higher than the working one, which corresponds to the norm. In this case, the temperature measured by the thermocouple is 27 K higher than the working one.

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 After setting the operating temperature, oxygen is electrochemically extracted from the PTEJ comparative chamber, for which a voltage of 0.65 V is applied to the cell electrodes from an external current source (plus to the working measuring electrode). Elementary

ток через ячейку был равен 2 мА, поэтому извлечение кислорода прекращается, когда ток становится меньше 0,002 мА.the current through the cell was 2 mA, therefore, oxygen extraction stops when the current becomes less than 0.002 mA.

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:After electrochemical extraction of oxygen into the comparative chamber to create a known partial pressure, oxygen is dosed by passing a certain amount of electricity. Dosing of oxygen is carried out at a constant current value of 0.5 mA for 32 s, as a result of which a partial oxygen pressure of 5.03 kPa is created in the PTEJ comparative chamber, the value of which remains for 10 hours. After this time, or, if the device was disconnected earlier than this time, the next time it is turned on, it is necessary to carry out the procedure of electrochemical extraction of oxygen from the comparative chamber and subsequent dosing of oxygen to create a comparative partial pressure of 5.03 kPa which is substituted in the following formula:

где P_x и P₀ - парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа;where P _x and P ₀ is the partial pressure of oxygen in the analyzed and comparative media, respectively, kPa;

4F - количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль;4F - the amount of electricity needed to transfer one mole of oxygen, C / mol;

Е - ЭДС ПТЭЯ, В;E - EMF PTEY, B;

R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К).R is the molar gas constant, J / (mol · K).

Изготовлены опытные образцы устройства для измерения парциального давления кислорода. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения парциального давления кислорода в диапазоне от 5 до 25 кПа.Prototypes of the device for measuring the partial pressure of oxygen were made. Experimental studies have confirmed the possibility of measuring the partial pressure of oxygen in the range from 5 to 25 kPa.

Claims (1)

Устройство для измерения парциального давления кислорода, содержащее нагреватель, термопару и чувствительный элемент в виде потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, отличающееся тем, что детали ячейки образуют две камеры: рабочую камеру, в которую поступает газ из анализируемой среды, и герметичную сравнительную камеру, в которой создается известное парциальное давление кислорода, причем рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки задается посредством использования двух поверочных газовых смесей, концентрации кислорода в которых отличаются не менее чем в 2 раза, а парциальное давление кислорода в анализируемой среде рассчитывают по формулеA device for measuring the partial pressure of oxygen, containing a heater, a thermocouple and a sensing element in the form of a potentiometric solid electrolyte cell, characterized in that the cell parts form two chambers: a working chamber, into which gas from the medium to be analyzed, and a sealed comparative chamber, in which the known the partial pressure of oxygen, and the working temperature of the potentiometric solid electrolyte cell is set using two calibration gas mixtures, the oxygen concentrations in which differ by at least 2 times, and the partial pressure of oxygen in the analyzed medium is calculated by the formula

где Р_х и Р₀ - парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной средах, соответственно, кПа;where P _x and P ₀ - the partial pressure of oxygen in the analyzed and comparative environments, respectively, kPa; 4F - количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль;4F - the amount of electricity needed to transfer one mole of oxygen, C / mol; Е - ЭДС потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, В;E - EMF of a potentiometric solid electrolyte cell, V; R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К);R is the molar gas constant, J / (mol · K); Т - рабочая температура потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, К.

T is the operating temperature of the potentiometric solid electrolyte cell, K.