隨動參比式微量氧分析儀的製作方法
2023-06-16 00:24:41 2
專利名稱：隨動參比式微量氧分析儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用類似於氧化鋯這樣的氧濃差電池進行微量氧測量的原理，它屬於分析儀器領域，是一種主要用於分析氣體中含氧量在極低情況下的氧含量分析儀。
氧化鋯在加入一定量的其他特定介質進行焙燒成固熔體後在一定溫度下是一種氧離子的良導體，當在這種材料的兩邊加上電極後就成了氧濃差電池，其池電勢E由能斯特方程給定Et=RT/4F×ln[(PO2參)/(PO2測)]其中R為氣體常數、T為電池的絕對溫度、F為法拉第常數，它們都是已知量，這樣只要知道一側的氧分壓(PO2參)通過測量池電勢就可以計算出另一側的氧分壓(PO2測)，利用這種原理就可製做成氧含量分析儀，基本結構是把氧化鋯的兩側隔離並塗裝上電極，加熱到恆定的溫度並在一側通入已知氧濃度的參比氣，在另一側通入待測氣體，通過測量氧化鋯兩側的電勢即可求出待測氣體的氧濃度。利用氧化鋯的濃差電池來測量氣體或導電液體中的含氧量是一項成熟的技術，它已經被廣泛應用於工農業及科研的各個部門。但是，目前世界上所有的該種形式的分析儀以及反映該種分析儀的技術文獻都認為參比側的氣體中的氧含量應該是穩定不變的，這樣人們很容易想到空氣就是一種非常廉價穩定的參比氣，用這種方法在常量氧分析方面取得了很大的成功，但在微量氧測量方面卻遇到了很大的麻煩，由於測量邊與參比邊的氧濃差太大，微洩漏和氧傳導的作用非常明顯，使得實際氧含量值與能斯特方程計算值嚴重偏離，甚至測量邊的微量氧有可能完全被洩漏和傳導的氧所「淹沒」而檢測不到。當然，根據能斯特方程我們可以選擇氧含量小的氣體作為小含量氧測量的參比氣，從而減小洩漏和傳導的氧，可是，在連續的微量氧測量中一種被長期耗費的而且氧含量要求高度穩定的參比氣體實在是太難保證了。
本發明的目的就是要提出一種利用氧化鋯這樣的氧濃差電池來實現測量微量氧的原理，它採用把被分析的氣體作為參比氣體，同時在參比氣中另加入定量氧的原理來實現的，這樣就很容易達到使參比氣和分析氣的氧含量處在同一個數量級中。同時保證了使用費用低廉並可長期連續穩定的運行。
本發明的具體原理是這樣的在氧濃差電池的測量邊通入連續的被測氣體，在它的參比邊也通入流量恆定的與測量邊相同的被測氣體，另外在參比邊再加入定量的氧氣，這樣參比氣是一個隨著測量氣中氧含量變化而變化的隨動氣體，在參比邊的參比氣中實際的氧含量值是被測氣體的氧含量值再加上一個恆定的增量，即在氧濃差電池的測量和參比邊保持一個已知的氧濃差。這時，根據能斯特方程可變換成如下的方程
Et=RT/4F×ln[(PO2測+PO2定)/(PO2測)]從以上的變換式可以看到雖然定量加入氧(PO2定)不變，但是，隨著測量氣體氧濃度(PO2測)的變化(PO2測+PO2定)/(PO2測)的值也在變化，即池電勢Et隨(PO2測)的變化而變化，這就是隨動參比式微量氧測量的基本理論依據。
當然，常量氧測量也可以應用這種方法，而且，對於改善測量範圍的線性很有好處，但是，由於需要增加定量氧加入裝置，會增加設備的投資，另外，目前應用空氣作為參比氣體完全能勝任絕大多數領域中的常量氧的測量，所以只在特殊的場所才需要這種處理方式。該發明的主要目的是要應用於微量氧測量領域。
目前所有利用類似於氧化鋯這樣的氧濃差電池，來在線連續測量氣體中微量氧濃度(如ppm級)的方式都不盡人意，而應用隨動參比式微量氧測量的方式徹底克服了目前以空氣為參比氣測量微量氧，因氧濃差太大所造成的氧滲透的弊病，因為這種方式並不需要另外補充作為參比氣的標準氣，所以，它不但能準確穩定的測量，同時易維護、運行周期長、運行費用低，因此，可以廣泛的替代目前用其他原理來進行的微量氧測量。
實現隨動參比式微量氧測量的具體方法和特殊要求是這樣的在結構上有兩種方式——單流路進樣和雙流路進樣。單流路進樣方式是這樣的，進入分析儀的待測氣體經過過濾、穩壓、穩流進入分析邊，從分析邊出來的氣體經定量加氧器加氧後進入參比邊，這種方法結構簡單、成本低，對於氧含量變化不太劇烈的場所使用效果很好。雙流路進樣只是把進入分析儀的待測氣分成兩路，一路直接進分析邊，一路穩壓、穩流、加定值氧後進入參比邊，這種方式消除了時差，僅用於氧含量變化劇烈的場所和要求嚴格的場所。
定量加氧器可以使用電解、氧泵、甚至可以使用定量的加入空氣等方式，主要根據使用的場所、測量的範圍以及精度要求來定。
測量方式有兩種，一種是在參比邊的氣體中加入已知不變的定量氧，形成參比邊與測量邊的恆氧濃差系統，這樣只要測量氧濃差電池電勢，就可以根據能斯特方程的變換式計算出被測氣體的氧濃度，這種方法簡單實用。另一種是通過改變加入參比邊氣體中的氧量，從而達到氧濃差電池的電勢恆定，形成測量電極與參比電極的恆電勢系統，這樣根據在參比邊加入的氧量的大小就可以計算出待測氣體的氧濃度，這種方式結構稍複雜，但是，在測量的全量程範圍內輸出信號均為線性，用這種方式進行測量可以達到很寬的量程範圍，並且在整個量程範圍內保持著幾乎相同的靈敏度，這是隨動參比式微量氧分析儀特有的方式決定的。
以雙流路恆電勢系統為代表闡述本發明的具體實施例待測氣體進入分析儀後被分成兩路，一路經穩壓、穩流後進入氧濃差電池的測量邊，另一路經穩壓、穩流後進入可控的定量氧發生器，與定量的氧混合後進入參比邊。由於在參比邊的氣體中另加入有定量的氧，所以氧濃差電池必然有氧濃差的電勢產生，為了保證在待測氣體含氧量變化時輸出的氧濃差電勢恆定，根據能斯特方程的變換式，只要保證(PO2測+PO2定)/(PO2測)恆定即可，由於在微量氧測量中加入的定量氧非常少，不會影響到參比氣的總體積的變化，所以只要根據進入參比邊氣量的大小就可以計算出加入的定量氧能使參比邊的氧濃度增加多少。在此我們設定(PO2測+PO2定)/(PO2測)=2(當然也可以設定為其它值)，這個比值說明由於加入了定量氧，使得參比邊的氧含量比測量邊的氧含量高了一倍，也就是說這時加入的定量氧使參比邊的氧濃度值的升高量正好等於待測氣體的氧濃度值，當待測氣的氧濃度發生變化時[(PO2測)+(PO2定)]/(PO2測)就偏離了恆定值，這時通過自動調節系統調節可控的定量氧發生器，使得(PO2測+PO2定)/(PO2測)重新恢復到恆定的值2上面來，這個過程自動的重複不停進行，由於比值恆為2則根據加入的定量氧的值就可以計算出待測氣的氧氣濃度。
權利要求
1.一種利用氧濃差電池進行微量氧測量的分析儀，其特徵在於它的參比氣採用了連續的待測氣加定量氧的方案。其電勢與待測氣氧分壓的計算式是能斯特方程的變換式E=RT/4F×ln[(PO2測+PO2定)/(PO2測)]。
2.根據權利要求1所述的微量氧分析儀，其特徵在於向通入參比邊的待測氣體中加入已知的恆定量的氧，使得參比邊與測量邊的氣體含氧濃差是一定值。
3.根據權利要求1所述的微量氧分析儀，其特徵在於向通入參比邊的待測氣體中加入已知的可控量的氧，使得氧濃差電池產生的電勢為一定值。
全文摘要
一種利用氧濃差電池進行氣體中微量氧測量的分析儀器,該設計主要是為了解決目前利用象氧化鋯這樣的氧濃差電池來連續測量微量氧所遇到的困難。其基本技術特徵是:參比邊通入的參比氣是另加定量氧的待測氣體,突破了目前必須使用空氣或標準氣作為參比氣的模式,使得這種分析儀既不需要另配參比氣,又克服了在微量氧測量中以空氣作為參比氣,因氧濃差過大漏氧量過多所造成的分析靈敏度過低的現象。
文檔編號G01N27/419GK1300940SQ9912687
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月21日 優先權日1999年12月21日
發明者馮永生 申請人:馮永生