Кислородный датчик

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИМ

РЕСПУБЛИК

„.,Я0„„1013832

g g а 0 1 N 2 /46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCH0MV. СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ (21) 3318087/18-25 (22) 16.07.81. (46) 23.04.83. Бюл..й 15 (72) 3.Ф. Хайретдинов, В.Г. Пономарева, Н.Ф. Уваров, !О.В. Ииронов и и H.Ï. Томилов (71) Новосибирский государственный

° университет им. Ленинского комсомола и Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья Сибир- ского отделения АН СССР. (53) 543 274 (088.8) (56) 1. Патент США и 3642599, кл. С 01 Б, опублик. 1972.

2 Патент ФРГ, V 2358491 кл. G 01 N, опублик. 1974 (прототип). (54)(57) КИСЛОРОДНЫЙ ДАТЧИК, содеРжащий электрохимическую ячейку с твердым электролитом на основе соединений лития и двумя электродами, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в качестве твердого электролита используют соединения лития, взятые в следующем соотношении, вес. :

Окись лития 1-10

Сульфат лития + углекислый литий Остальное, причем каждый из них берут в количестве не менее. 10 вес.3 от общего количества. о Fg

1013832

Pt (Ь1 0Ь|2 СОЗЬ1,БО ) Pt

А (11 It)A

550 0,7. 10 2. 10

550 0,6.10 2.10 5

2,9. 10

Изобретение относится к электрохимическим газоаналиэаторам, предназначенным для измеренйя парциального давления кислорода в газообразных смесях; где необходимо осуществлять 5 быстрый и непрерывный контроль состава газа.

Известен датчик кислорода, содержа" щий твердый электролит иэ 2г02 и измерительные электроды (1 1.

Недостатком этого датчика является то, что он работает только при высокой .температуре от 700: до 1300 С.

Наиболее близким техническим реше-. нием к изобретению является кислород" "1 ный датчик, содержащий электрохимическую ячейку с твердым электролитом на основе соединейий лития и двумя электродами (2 f .

Недостатками известного устройства 20 является то, что датчик можно использовать при температуре выше 300 С, Кроме того, в электрохимической ячейке данного типа используются вакуумные образцы электролита. Чувст- 2 вительность датчика невелика, измене" ние ЭДС не превышает 63 при изменении парциального давления кислорода на

2 порядка.

Целью изобретения является повы- З0 шение. точности измерений, Поставленная цель достигается тем, что в кислородном датчике, со" держащем электрохимическую ячейку с твердым электролитом на основе сое- 3 динения лития и двумя электродами, в качестве твердого электролита используют соединение лития, взятые в следующем соотношении, вес.3:

Окись лития 1" 10

Сульфат лития + углекислый литий Остальное> причем каждый из них берут в количестве не менее 10 вес.Ф от общего 4> количества.

Твердый электролит в данном датчике обеспечивает стабильную работу датчика в интервале температур от 100 до 600оС, интервал измеряемых давлений составляет 10 2 до 10 мм рт. ст, На чертеже схематически изображен кислородный датчик. t

Кислородный датчик состоит из эле. ктрохимической ячейки 1 с твердым электролитом 2 и двух электродов

3, источника 4 регулируемого напряже"

t ния и регистрирующего прибора для измерения малых токов 5.

Датчик работает следующим образом.

Через ячейку 1, на электроды 2. которой подается малое по величине напряжения порядка 100"300mV, протекает ток, вследствие наличия кислород-, ной составляющей проводимости, а на электродах происходят следующие реакции: на катоде: 0,5 О + 2е -О на аноде: Π— 2е — . 0,5 02

Поэтому величина тока в системе зависит от парциального давления кислорода. Изменение давления кислорода в системе приводит к быстрому и значительному изменению величины тока, что фиксируется с помощью амперметра, 8 интервале указанных температур и давлений датчик практически мгновенно (за 1 с) реагирует на изменение парциального давления кислорода в системе. Получение,основного сигнала в виде тока удобно для измерения с большой точностью и создает возможность измерения

Не только равновесного состояния сис. темы, но и скорость достижения равновесия.

В табл. представлены данные по испытаниЮ кислородного датчика со следующими э/х ячейками:

Pt/Ь120 — Li. СΠ— L 80 /Р t

Pt/NagO - 5,g Al î /k.

АЯ!На20,- 5,5 Al>O>/ А

Ag/Ы20 - Li CO - Li28OP/Ag 1 013832

Продолжение таблицы

5 6

4,10

1,9 10

1,8. 10

6. 10

2. 10

300 5 10

100 1.10 9

vt(" — ") Р95

3. 101 5 ° 10 М(«ф- 95

-5,5 gOy) Ag

М("- ) Ак 95

1,4.10 Ь

300 1,3 10

300 1,1.10

4,6. 10.

1,7.Ë0 {" — ") g 60-65

100 1,2-10 г

300 1,2.10

Pt " — ")Pt 95

1,4.10

4,7.10 1

1,8.I0

6,0 ° 10 р (tt е! ) р

300 1,1.10 1

60-65 р (И It) р

Как видно из таблицы, наряду с 20 высоких температурах изменения тока глиноземом, в качестве электролита становятся еще более значительными можно использовать электролит на ос- при изменении парциального давления нове сульфата. лития. кислорода в тех же пределах, т.е.

Ф

Состав твердого электролита,,вес.ф: чувсвительность датчика увеличивается..

Окись лития 1-10 Как видно из таблицы, в датчиках

Сульфат лития 10-90 данного устройства успешно могут

Углекислый быть использованы образцы более низлитий Остальное кой плотности (60-6Я), т. е. вакуЭто соотношение компонентов обеспе- умно-неплотные образцы. чивает оптимальный режим работы кис- 36 Изменение тока происходит за врелородного датчика. Так, если окиси . мя менее 1 с после .изменения давлелития взять менее 13, кислородная ния, а равновесные значения тока

-- проводимость отсутствует, если бо- при данном давлении кислорода в лее 103, очень снижается общая про- системе устанавливаются за 00водимость. Если сульфата лития -брать з 1500 с в зависимости от температуры меньше 103, уменьшается проводимость системы. При многочисленных измене" если более 903, работает датчик толь- ниях парциального давления кислорода ко при высоких температурах. угле- (напусках и откачках/э/х ячейки не кислый литий необходим для стабили- претерпевают изменений в указанных зации высокопроводящей фазы. 4э условиях, сохраняя постоянные знаДатчики с ТЭ из р - глинозема чения тока при соответствующих вели обладают достаточнои чувствитель- чинах парциального давления кислоностью и при низких температурах рода имогут использоватьсямногократно.r (100 С). Если в концентрационных эле- Таким образом, кислородный дат" о ментах, используемых в качестве кив- gS чик обладает значительно большей лородных датчиков, при изменении чувствительностью (в известном она

;давления кислорода у одного из элек- составляет 63 от измеряемой величитродов на два порядка изменение ны при изменении внешней величины

ЭДС относительно исходной составля- на 2 порядка, а в предлагаемомют не более 63 при 300ВС, то в дат" so 5003, при тех же условиях)и. значи" чиках с э/х ячейкой изменение тока тельно большим быстродействием (при от начального - не менее 5003 при 300 С время срабатывания в известном этой же температуре. Таким образом, устройстве составляет не менее 30 в области определяемых давлений мин,.тогда как в предлагаемом - l c) датчик обладает значительно боль- в области арциальных давлений кисSS шей чувствительностью. При более лорода 10 - 10 мм рт. ст. .%

ВНИИПИ Заказ 3007/52 Тираж 871 Подписное

Филиал ППП "Патент", r- Ужгород, ул. Проектная, 4 .