Полярографические газоанализаторы. 
Технические измерения и приборы

Полярографический метод (см. гл. 5) газового анализа основан на электролизе электролитов, содержащих электрохимически активные вещества, количество которых пропорционально парциальному давлению этих веществ в газе, непрерывно продуваемом (барботирующем) через электролит.

Сила тока электролиза описывается уравнением (6.6).

При постоянной толщине диффузионного слоя д сила тока / = АС.

Полярографический метод используют для определения От, СО, S0₂, Cl₂, H₂S, NO и других газов.

Работа полярографических газоанализаторов основана на измерении предельной силы диффузионного тока в цепи трёхэлектродной электролитической ячейки с индикаторным, сравнительным и вспомогательным электродами. В процессе измерения контролируется разность потенциалов между индикаторным и сравнительным электродом. Разность потенциалов сравнивается с заданной и при её изменении автоматически мснястся подаваемое на электроды напряжение до восстановления изменившейся разности потенциалов.

Анализатор углекислого газа (рис. 10.27) представляет собой автоматический прибор для измерения концентрации оксида углерода (СО) в атмосферном воздухе.

Рис. 10.27. Функциональная схема газоанализатора:

• 1 — входной пылезащитный фильтр; 2 — нулевой фильтр;
• 3 - фильтр; 4 — клапан А; 5 — клапан В; 6 — насос; 7 — дроссель;
• 8 — датчик давления; 9 — электрохимическая ячейка; 10 — штуцер; 11 — блок питания клапанов; 12 — управление клапанами; 13 — усилитель аналогового сигнала; 14 — усилитель электрохимической ячейки; 15 — блок питания процессора; 16 — АЦП;
• 17 - процессор; 18 — адаптер ЖКИ; 18 — ЖКИ

Анализируемая проба засасывается через входной пылезащитный фильтр 1 с помощью насоса 6. Проба проходит через нормально открытый вход клапана АЗ (управляющее напряжение на клапан в этом случае нс подаётся). Далее она поступает на дроссель 7, совмещённый с датчиком давления 8. Дроссель регулирует расход газа (0,6 — 0,8 литров в минуту).

Затем проба подаётся на вход электрохимической ячейки 9, совмещённой с дросселем 7, который ограничивает скорость потока газа через ячейку (расход газа составляет 0,3 — 0,4 литра в минуту).

Из электрохимической ячейки проба выходит через штуцер 10.

В этом режиме с помощью насоса 1 «нулевой» газ забирается из фильтра нулевого газа 4.

Из электрохимической ячейки «нулевой» газ сбрасывается через штуцер 11.

Основные технические характеристики газоанализатора приведены в табл. 10.6.

Таблица 10.6.

Технические характеристики_.

Предельное содержание неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой среде соответствует данным, указанным в табл. 10.7.

Таблица 10.7.

Газоанализатор выполнен в виде унифицированного 19-дюймового металлического корпуса.

В корпусе газоанализатора расположены следующие основные элементы (см. рис. 10.28).

Рис. 10.28. Электрохимический газоанализатор:

1 — штуцеры «проба» и «газ-эталон»; 2 — насос; 3 — электромагнитные клапаны; 4 — фильтр нулевого газа; 5 — микропроцессор и АЦП; 6 — штуцер «выход насоса»; 7 — плата питания и управления; 8 — датчик измерения расхода; 9 — датчик давления; 10- электрохимическая ячейка в защитном кожухе Электрохимическая ячейка — преобразователь неэлектричсских величин в электрические сигналы, основанный на использовании электрохимических явлений.

Электрохимическая ячейка обычно состоит из двух полуэлементов, каждый из которых представляет собой электрод, погружённый в свой электролит. Электроды изготавливают из электропроводящего материала (металла или углерода), реже из полупроводника. Носителями заряда в электродах являются электроны, а в электролите — ионы.

Конструкции электрохимических ячеек чрезвычайно разнообразны.

Электрохимические ячейки бывают двух типов: гальванические элементы и электролитические ячейки (электролизёры).

Твёрдыми электролитами называют твёрдые вещества, электропроводность которых обусловлена переносом ионов. Наиболее широкое распространение получили твёрдые электролиты на основе диоксида циркония. Указанные вещества обладают проводимостью ионов кислорода при температурах выше 500 °C.

Электрохимические ячейки с твёрдым электролитом, предназначенные для измерения концентрации кислорода в воздухе рабочей зоны, функционируют в потенциометрическом режиме (рис. 10.29).

В данном случае измеряется ЭДС между электродами, нанесёнными на перегородку из твёрдого электролита. Один электрод располагается в камере с анализируемой, а второй — в камере со сравнительной газовой смесью. В области раздела трёх фаз (электрод-твёрдый электролит-газовая смесь) возникает потенциал, пропорциональный парциальному давлению кислорода в газовой смеси. Измеряемая ЭДС соответствует видоизменённому уравнению Нернста.

где Р, Р_ср — парциальное давление кислорода в анализируемой и сравнительной газовой смеси.

Рис. 10.29. Схема электрохимической ячейки с твёрдым электролитом.

При равенстве давлений в анализируемой и сравнительной камерах соотношение (10.13) может быть переписано следующим образом:

где С_ср — объёмная доля кислорода в анализируемой и сравнительной газовой смеси.

В соответствии с выражениями (10.13) и (10.14) измеряемая ЭДС зависит от температуры газовой смеси, находящейся в электрохимической ячейке, что обусловливает необходимость точной стабилизации её температуры.

Электрохимические измерительные преобразователи с твёрдым электролитом строят по дифференциальной (разностной) схеме, характеризующейся наименьшей погрешностью измерений при концентрации кислорода в анализируемой газовой смеси, близкой к его концентрации в смеси сравнения, поэтому в качестве сравнительной газовой смеси целесообразно использовать атмосферный воздух.

Основная относительная погрешность измерения объёмной доли кислорода в диапазоне от 5 до 25% не превышает ±4%.

При использовании электрохимического метода с жидким (загущенным) электролитом измеряют ЭДС, возникающую между измерительным и сравнительным элекзродом при установившемся равновесном состоянии жидкого (загущенного) электролита, контактирующего с анализируемой газовой смесью (рис. 10.30). Кислород, содержащийся в анализируемой газовой смеси, диффундирует через полимерную мембрану, растворяется в жидком (загущенном) электролите и электрохимически восстанавливается на измерительном электроде. Вследствие этого в электрической цепи, объединяющей измерительный и сравнительный электроды, возникает гок, пропорциональный парциальному давлению кислорода в анализируемой газовой смеси. Полимерная мембрана повышает избирательность диффузии кислорода. Помимо мембраны электрохимическая ячейка может содержать гидрофобный фильтр.

В случае, когда электрохимический метод с жидким (загущенным) электролитом применяется для измерения объёмной доли кислорода С, можно записать.

где Р — давление анализируемой газовой смеси.

Рис. 10.30. Схема электрохимической ячейки с жидким (загущенным) электролитом.

Основная абсолютная погрешность измерения объёмной доли кислорода в диапазоне от 5 до 25% не превышает ±0,5 %.

Полярографические датчики водорода (рис. 10.31) представляют собой универсальный тип электрохимических датчиков с жидким электролитом. Они предназначены для преобразования парциального давления водорода (pHi) в газовых смесях в электрический аналоговый сигнал постоянного тока.

Рис. 10.31. Датчик водорода полярографический.

Диапазон измерения такого дагчикаа рГЬ 0 — 5, 0 — 40 кПа, а основная приведённая погрешность не превышает 1,5 %.