RU219801U1

RU219801U1 - Electrochemical gas detector

Info

Publication number: RU219801U1
Application number: RU2023108390U
Authority: RU
Inventors: Леонид Владимирович Илясов; Наталья Игоревна Иванова
Filing date: 2023-04-03
Publication date: 2023-08-08

Abstract

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к средствам измерений концентрации газов.The utility model relates to analytical technology, namely to means for measuring the concentration of gases.

Электрохимический детектор газов содержит проточные камеры анализируемого и сравнительного газов с входными и выходными штуцерами, разделенные мембраной из твердого электролита, на поверхности которой нанесены газопроницаемые металлические каталитически активные электроды, нагреватель, подключенный к стабилизированному источнику электропитания, и измеритель разности потенциалов между электродами.The electrochemical gas detector contains flow chambers of the analyzed and reference gases with inlet and outlet fittings separated by a solid electrolyte membrane, on the surface of which gas-permeable metal catalytically active electrodes are deposited, a heater connected to a stabilized power supply, and a potential difference meter between the electrodes.

Детектор дополнительно содержит тройник, выход которого подключен к входному штуцеру проточной камеры анализируемого газа, а входы выполнены с возможностью подачи газа из хроматографической колонки и вспомогательного потока воздуха от устройства подачи вспомогательного потока воздуха, при этом мембрана выполнена в виде катушки, щечки которой размещены в проточных камерах детектора, а на ее цилиндрической части размещен нагреватель.

The detector additionally contains a tee, the outlet of which is connected to the inlet fitting of the flow chamber of the analyzed gas, and the inlets are made with the possibility of supplying gas from the chromatographic column and auxiliary air flow from the auxiliary air flow supply device, while the membrane is made in the form of a coil, the cheeks of which are placed in the flow chambers. chambers of the detector, and a heater is placed on its cylindrical part.

Description

Известен термохимический детектор кислорода (Кулаков М.В. и др. Технологические измерения и аналитические приборы в химической промышленности. М.: Машиностроение, 1964. С. 36-38), содержащий гальванический элемент, состоящий из пористого стеклянного цилиндра, укрепленного на металлическом держателе и обернутого слоем текстильной ленты, свинцовый электрод и катод, изготовленный из серебряной сетке.A known thermochemical oxygen detector (Kulakov M.V. et al. Technological measurements and analytical instruments in the chemical industry. M.: Mashinostroenie, 1964. S. 36-38) containing a galvanic cell consisting of a porous glass cylinder mounted on a metal holder and wrapped with a layer of textile tape, a lead electrode and a cathode made of a silver mesh.

При работе анализируемая газовая смесь проходит через увлажнитель, где насыщается влагой и захватывает попутно раствор электролита (раствор KOH), поступает в электролитическую ячейку. Раствор поступает сверху на гальванический элемент, непрерывно смачивая последний, а анализируемая газовая смесь омывает гальванический элемент в кольцевом пространстве между корпусом датчика и серебряным катодом. Ток, возникающий в цепи гальванического элемента, создает падение напряжения на внешним сопротивлении нагрузки. Последнее усиливается электронным усилителем и измеряется вторичным прибором.During operation, the analyzed gas mixture passes through the humidifier, where it is saturated with moisture and simultaneously captures the electrolyte solution (KOH solution), enters the electrolytic cell. The solution flows from above to the galvanic cell, continuously wetting the latter, and the analyzed gas mixture washes the galvanic cell in the annular space between the sensor housing and the silver cathode. The current generated in the galvanic cell circuit creates a voltage drop across the external load resistance. The latter is amplified by an electronic amplifier and measured by a secondary device.

Недостатком такого детектора является необходимость использования для его работы жидкого электролита, что ограничивает область его применения.The disadvantage of such a detector is the need to use a liquid electrolyte for its operation, which limits its scope.

Наиболее близким по технической сущности является детектор с твердым электролитом, например оксидом циркония (Амманозаров А., Шарнапольский А.И. Методы и приборы для определения кислорода (газовый анализ) М.: Химия, 1988, С. 39-41), содержащий проточные камеры анализируемого и сравнительного газов с входными и выходными штуцерами, разделенные мембраной из твердого электролита, на поверхности которой нанесены газопроницаемые металлические каталитически активные электроды, нагреватель, подключенный к стабилизированному источнику электропитания, и измеритель разности потенциалов между электродами.The closest in technical essence is a detector with a solid electrolyte, for example, zirconium oxide (Ammanozarov A., Sharnapolsky A.I. Methods and devices for determining oxygen (gas analysis) M.: Chemistry, 1988, S. 39-41), containing flow chambers for analyzed and reference gases with inlet and outlet fittings, separated by a solid electrolyte membrane, on the surface of which gas-permeable metal catalytically active electrodes are deposited, a heater connected to a stabilized power supply, and a potential difference meter between the electrodes.

В процессе работы с одной стороны мембрана омывается сравнительным газом с известной концентрацией кислорода, а с другой - анализируемом газом, концентрация кислорода в котором может изменяться. Разность потенциалов между электродами определяется разностью концентраций кислорода сравнительной и измерительной камерах.During operation, on the one hand, the membrane is washed by a reference gas with a known oxygen concentration, and on the other hand, by an analyzed gas, the oxygen concentration in which can vary. The potential difference between the electrodes is determined by the difference in oxygen concentrations in the comparative and measuring chambers.

Недостатком такого детектора является относительная узкая область применения, определяемая возможностью измерения концентрацией кислорода в газовых средах.The disadvantage of such a detector is the relatively narrow scope, determined by the possibility of measuring the oxygen concentration in gaseous media.

Проблемой полезной модели является создание электрохимического детектора газов, имеющего более широкую область применения, в частности, детектора, обеспечивающего возможность измерения концентрации компонентов в процессе хроматографического анализа газов.The problem of the utility model is the creation of an electrochemical gas detector that has a wider scope, in particular, a detector that provides the ability to measure the concentration of components in the process of chromatographic analysis of gases.

Технический результат - расширение области применения электрохимического детектора газов.EFFECT: expanding the field of application of an electrochemical gas detector.

Технический результат достигается тем, что электрохимический детектор газов, содержащий проточные камеры анализируемого и сравнительного газов с входными и выходными штуцерами, разделенные мембраной из твердого электролита, на поверхности которой нанесены газопроницаемые металлические каталитически активные электроды, нагреватель, подключенный к стабилизированному источнику электропитания, и измеритель разности потенциалов между электродами, согласно полезной модели дополнительно содержит тройник, выход которого подключен к входному штуцеру проточной камеры анализируемого газа, а входы выполнены с возможностью подачи газа из хроматографической колонки и вспомогательного потока воздуха, от устройства подачи вспомогательного потока воздуха, при этом мембрана выполнена в виде катушки, щечки которой размещены в проточных камерах детектора, а на ее цилиндрической части размещен нагреватель.The technical result is achieved by the fact that an electrochemical gas detector containing flow chambers of the analyzed and reference gases with inlet and outlet fittings, separated by a solid electrolyte membrane, on the surface of which gas-permeable metal catalytically active electrodes are deposited, a heater connected to a stabilized power supply, and a difference meter potentials between the electrodes, according to the utility model, it additionally contains a tee, the outlet of which is connected to the inlet fitting of the flow chamber of the analyzed gas, and the inlets are made with the possibility of supplying gas from the chromatographic column and the auxiliary air flow, from the device for supplying the auxiliary air flow, while the membrane is made in the form coil, the cheeks of which are placed in the flow chambers of the detector, and a heater is placed on its cylindrical part.

Такая конструкция электрохимического детектора газов позволяет использовать его для измерения концентрации горючих компонентов в анализируемого газе, так как при поступлении горючего компонента в измерительную камеру детектора, температура которой поддерживается равной 350-500°С, происходит частичное каталитическое сгорание компонентов на каталитически активном электроде, расположенном в этой камере. При этом изменяется концентрация кислорода, поступающего с потоком анализируемого газа, что вызывает изменение разности потенциалов между электродами, так как концентрация кислорода сравнительной камеры детектора остается постоянной.This design of the electrochemical gas detector makes it possible to use it to measure the concentration of combustible components in the analyzed gas, since when a combustible component enters the measuring chamber of the detector, the temperature of which is maintained at 350–500°C, partial catalytic combustion of the components occurs on the catalytically active electrode located in this camera. In this case, the concentration of oxygen entering with the flow of the analyzed gas changes, which causes a change in the potential difference between the electrodes, since the oxygen concentration of the comparative chamber of the detector remains constant.

По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.Compared with the prototype, the inventive design has a distinctive feature in the totality of elements and their relative position.

Схема электрохимического детектора газов показана на фигуре. Электрохимический детектор газов содержит проточные камеры 1 и 2 анализируемого и сравнительного газов с входными 3 и 4 и выходными 5 и 6 штуцерами, разделенные мембраной 7 из твердого электролита, на поверхности которой нанесены газопроницаемые металлические каталитически активные электроды 8 и 9, нагреватель 10, подключенный к стабилизированному источнику электропитания 11, и измеритель разности потенциалов 12 между электродами 8 и 9.The scheme of the electrochemical gas detector is shown in the figure. The electrochemical gas detector contains flow chambers 1 and 2 of the analyzed and reference gases with inlet 3 and 4 and outlet 5 and 6 fittings, separated by a membrane 7 of a solid electrolyte, on the surface of which gas-permeable metal catalytically active electrodes 8 and 9 are deposited, a heater 10 connected to stabilized power supply 11, and a potential difference meter 12 between electrodes 8 and 9.

Детектор дополнительно содержит тройник 13, выход 14 которого подключен к входному штуцеру 3 проточной камеры анализируемого газа, а входы 15 и 16 выполнены с возможностью подачи газа из хоматографической колонки и вспомогательного потока воздуха от устройства подачи вспомогательного потока воздуха, при этом мембрана выполнена в виде катушки, щечки 17 и 18 которой размещены в проточных камерах 1 и 2 детектора, а на ее цилиндрической части 19 размещен нагреватель 10.The detector additionally contains a tee 13, the outlet 14 of which is connected to the inlet fitting 3 of the flow chamber of the analyzed gas, and the inlets 15 and 16 are made with the possibility of supplying gas from the chromatographic column and auxiliary air flow from the auxiliary air flow supply device, while the membrane is made in the form of a coil , cheeks 17 and 18 of which are placed in the flow chambers 1 and 2 of the detector, and a heater 10 is placed on its cylindrical part 19.

Электрохимический детектор газов работает следующим образом. В проточную камеру 1 с постоянным объемным расходом через штуцер 3 подаются потоки воздуха и анализируемого газа, а в камеру 2 -сравнительного газа через штуцер 4 с постоянным объемным расходом подается воздух. Мембрана из твердого электролита 7 с помощью нагревателя нагревается до температуры 350-500°С при подаче к нагревателю 10 напряжения от стабилизированного источника электропитания 11. При поступлении в камеру 1 анализируемого газа, содержащего горючий компонент, последний частично каталитически сгорают на каталитически активном электроде. При этом уменьшается концентрация кислорода в камере 1 анализируемого газа и на электроде 8. На сравнительном электроде 9, расположенном в камере 2, концентрация кислорода остается постоянной. При этом изменяется разность потенциалов между электродами 8 и 9, служащая выходным сигналом детектора, которая поступает на вход измерителя разности потенциалов 12. Выходной сигнал детектора пропорционален объемной концентрации горючего компонента в анализируемом газе.Electrochemical gas detector works as follows. Air and analyzed gas flows are supplied to the flow chamber 1 with a constant volume flow through the fitting 3, and air is supplied to the reference gas chamber 2 through the fitting 4 with a constant volume flow. The solid electrolyte membrane 7 is heated to a temperature of 350-500°C by means of a heater when voltage is supplied to the heater 10 from a stabilized power supply 11. When the analyzed gas containing a combustible component enters the chamber 1, the latter partially burns out catalytically on the catalytically active electrode. This reduces the oxygen concentration in the chamber 1 of the analyzed gas and on the electrode 8. On the reference electrode 9, located in the chamber 2, the oxygen concentration remains constant. This changes the potential difference between electrodes 8 and 9, which serves as the output signal of the detector, which is fed to the input of the potential difference meter 12. The output signal of the detector is proportional to the volume concentration of the combustible component in the analyzed gas.

Экспериментально установлено, что описанный детектор способен измерять концентрации водорода и других горючих газов, составляющие несколько сотых долей % об.It has been experimentally established that the described detector is capable of measuring concentrations of hydrogen and other combustible gases that are several hundredths of a vol.

Преимуществами предлагаемого технического решения является:The advantages of the proposed technical solution are:

- простота конструкции;- simplicity of design;

- генераторный выходной сигнал;- generator output signal;

- широкий диапазон измерения концентрации.- wide range of concentration measurement.

Предлагаемый электрохимический детектор может быть реализован на базе стандартных циркониевых датчиков кислорода и распространенной электроизмерительной аппаратуры.The proposed electrochemical detector can be implemented on the basis of standard zirconium oxygen sensors and common electrical measuring equipment.

Электрохимический детектор газа может найти применение в системах контроля взрывоопасных концентраций на промышленных предприятиях и в газовой хроматографии.The electrochemical gas detector can be used in explosive concentration control systems in industrial plants and in gas chromatography.

Claims

Electrochemical gas detector containing flow chambers of the analyzed and reference gases with inlet and outlet fittings, separated by a solid electrolyte membrane, on the surface of which gas-permeable metal catalytically active electrodes are deposited, a heater connected to a stabilized power supply, and a potential difference meter between the electrodes, characterized in that that it additionally contains a tee, the outlet of which is connected to the inlet fitting of the flow chamber of the analyzed gas, and the inlets are made with the possibility of supplying gas from the chromatographic column and auxiliary air flow from the auxiliary air flow supply device, while the membrane is made in the form of a coil, the cheeks of which are placed in the flow chambers of the detector, and a heater is placed on its cylindrical part.