Порядок выполнения работы и обработка полученных результатов

1 Подать воду по трубопроводу – 1 в бак – 2.

2 При установившемся режиме слива воды из трубопровода – 9 открыть кран – 4. Одновременно замеряя объемный расход воды Q_об через сливную трубку – 3 с помощью мерного бака – 7 и секундомера (м³ / с), а также перепад давления на диафрагме – 5.

3 По известным Q_об, _Р, d, пользуясь формулой (7.3), определить коэффициент расхода  диафрагмы.

4 Сделать три опыта.

5 Сравнить полученное значение с эталонным.

6 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 – Результаты измерений и расчетов

№ пп	Кол-во воды, G, л	Время, t, с	Объемный расход, Qоб, м3  с	Перепад давлений Р, Па	Коэффициент расхода, 	Примечание
1 2 3	19,6 19,6 19,6

П р и м е ч а н и е:

Диаметр трубопровода	D = 50 мм
Диаметр отверстия диафрагмы	d = 31,5 мм
Модуль диафрагмы	m = d2  D2 = 0,39
Плотность воды Коэффициент расхода диафрагмы	ρ = 1000 кг / м3
действительный при данном модуле	ад = 0,687

Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1 цель работы;

2 краткий порядок проведения измерений;

3 результаты измерений и расчетов (таблица 7.1);

4 выводы.

Лабораторная работа № 8 изучение конструкции и принципа действия электрохимических газоанализаторов на твердом электролите Общие сведения

Для измерения концентрации О₂ в газовых смесях применяются приборы газового анализа (далее газоанализаторы). Наиболее перспективными для измерения О₂ приборами в настоящее время являются газоанализаторы, основанные на электрохимических методах измерения. Газоанализаторы, как правило, состоят из устройства пробоподготовки, первичного преобразователя и измерительного преобразователя. Устройство пробоподготовки предназначено для отбора пробы анализируемой газовой смеси от объекта, очистки пробы от агрессивных и механических примесей, приведения ее параметров (температуры, давления и т.д.) к значениям, нормированным для параметров пробы на входе в сенсор газоанализатора.

Преобразователь первичный предназначен для формирования вторичного электрического сигнала, значение которого эквивалентно концентрации измеряемого компонента в газовой смеси. Измерительный преобразователь служит для индикации или регистрации содержания данного компонента в анализируемой газовой смеси с формированием выходных унифицированных сигналов.

Рисунок 8.1 – Схема электрохимического сенсора с твердым электролитом

Принцип метода основан на использовании зависимости э.д.с. концентрационной (по кислороду) электрохимической цепи с твердым электролитом и газовыми электродами от концентрации кислорода в газовых смесях, подаваемых на электроды.

Схема гальванического элемента (рисунок 8.1) состоит из твердого электролита, находящегося между металлическими электродами l и ll, которые омываются газовыми смесями с различными парциальными давлениями кислорода (р  р). Если электроды пористые и могут достаточно легко пропускать кислород, то вследствие различия между р и р на обеих границах твердого электролита с электродами установится различный химический потенциал U₁ и U₂ кислорода, под действием которого ионы кислорода будут диффундировать с электрода с большим р на электрод с меньшим р. При этом на первом электроде электроны забираются, на втором освобождаются. В результате между границами электрод - твердый электролит возникает электрическое поле, причем, омываемый газ с большим парциальным давлением кислорода, будет заряжен положительно, а второй - отрицательно. С помощью металлических электродов и соединенных с ними металлических токоотводов разность потенциалов (U₁ - U₂) передается во внешнюю цепь. При подаче на один из электродов газа с известным парциальным давлением кислорода (эталонного газа) значение э.д.с. датчика при заданной температуре однозначно определяется парциальным давлением кислорода в анализируемом газе, подаваемом на другой электрод, подчиняясь термодинамическому соотношению Нерста

, (8.1)

где R - газовая постоянная;

Т - температура электродов и электролита, К;

F - константа Фарадея;

Р_о2эт и Р_О2ан - парциальные давления кислорода соответственно в эталонном и анализируемом газах.

При переходе к концентрациям кислорода, выраженным в объемных процентах, соотношение (8.1) принимает вид

, (8.2)

где и - процентное отношение кислорода соответственно в эталонном и анализируемом газах.

Объемная концентрация С_i и парциальное давление P_i связанных соотношением

С_i = P_i  P,

где P - абсолютное давление газовой смеси.

При равенстве давления анализируемого и эталонного газов уравнения (8.1) и (8.2) идентичны.

При использовании в качестве эталонного газа атмосферного воздуха с парциальным давлением кислорода P_О2 = 0,21 э.д.с., развиваемая датчиком, подсчитывается по формуле

E = - 0,33T – 0,0496T ∙ log P_{O2 ан}, (8.3)

где P_{O2 ан} - парциальное давление кислорода в анализируемом газе,

Т = С + 273 - температура электродов, К.

Основой электрохимического газоанализатора на О₂ является твердоэлектролитный сенсор.

Твердоэлектролитный сенсор изготовлен на основе двуокиси циркония стабилизированного окисью натрия. Такой электролит обладает практически чистой кислородоионной проводимостью, то есть в широком интервале температур и кислородсодержащий число переноса ионов кислорода равно единице.

Твердоэлектролитный сенсор обычно выполняется в виде пробирки, либо в виде таблетки. Наибольшее распространение (из-за простоты и дешевизны технологии изготовления) получила твердоэлектролитная пробирка.

На рисунке 8.2 приведена конструкция вышеуказанного сенсора. Стандартная пробирка имеет длину 160...170 мм, диаметр 10 мм и толщину стенки 0,4...0,8 мм. На закрытый конец пробирки снаружи и внутри нанесены электроды из легкодисперсного платинового порошка, либо порошка редкоземельных элементов. Для съема потенциала с электродов имеются токоотводы внутренний – 2 и наружный – 3 , изготовленные либо из платиновой (платинородиевой) проволоки диаметром 0,5 мм, либо из нихрома диаметром 0,25...0,35 мм. Наружный токоотвод жестко связан с наружным электродом с помощью специальной обмазки, припекаемой при высокой температуре.

Внутренний токоотвод выполнен в виде плоскопереплетенной проволоки, прижатой к внутреннему электроду торцом керамической трубки – 4, расположенной внутри пробирки. Надежность контакта обеспечивается за счет усиления прижатия, создаваемого пружиной расположенной на противоположенной стороне трубки. Для электрической изоляции внутреннего и наружного токоотводов применяется керамическая трубка – 6. Термоэлектрический термометр – 5, градуировки ХА, контролирующий температуру электродов, расположен внутри прижимающей трубки – 4. ЭДС, снимаемая с токоотводов твердоэлектролитного сенсора зависит от температуры в зоне сенсора, т.е. Е = f (T). Данную зависимость легко установить изменяя данную температуру Т и фиксируя изменения ЭДС.

Для оптимизации процесса сжигания топлива, характеризуемого коэффициентом избытка воздуха , применение датчика особенно эффективно, так как крутизна выходного сигнала датчика при малых значениях кислорода увеличивается.

Рисунок 8.2 – Чувствительный элемент в сборе: 1 – чувствительный элемент; 2 – внутренний токоотвод; 3 – наружный токоотвод; 4 - прижимающая керамическая трубка; 5 – термоэлектрический термометр; 6 - керамическая трубка диаметром 2 мм; 7 - хомут

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рисунке 8.3. Данная схема включает:

1 баллон с эталонным газом - 1;

2 ротаметр - 2;

3 электрохимический датчик (ЭХД) - 3;

4 измерительный преобразователь - 4;

5 кабель измерительный - 5;

6 цифровой вольтметр – 6;

Газ, подаваемый в зону сенсора – эталонная смесь N₂ + O₂.

Рисунок 8.3 – Схема установки для определения характеристик чувствительного элемента: 1- баллон с эталонным газом, 2 – ротаметр, 3 – электрохимический датчик, 4 – измерительный преобразователь, 5 - измерительный кабель, 6- цифровой вольтметр.