Устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) ()1) 4(51) G 01 N 27 46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ (89) 138245, ГДР (21) 7770721/24-25 (22) 31.07,79 (31) W P G 01 N /207541 (32) 30 ° 08.78 (33) ГДР (46) 28.02.85. Вю;:. М 8 (72) Ханс-Хеинрих Мебиус, Рейнхард

Хартунг, Улрих Гут, Штеффен Иакобс

И Клаус-Дитер Утес (ГДР) (71) ФЕБ Йункалор Дессау,Бетриб лес

Комбинат фЕБ ЭАВ (ГДР) (53) 543.25(088.8) (54)(57) 1.УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА

ГАЗА С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ЯЧЕЙКАМИ HA

ТВЕРДОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ, содержащее размещенные в корпусе по крайней мере один измерительный электрод с токопроводом и эталонный газовый электрод с токопроводами и трубкой для подвода и отвода газа, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что твердый электролит, выполненный в виде стакана или в виде части стакана, жестко соединен одним из торцов с трубкой подвода или отвода газа, в другом торце стакана с помощью герметич.— ного материала установлена трубка для прохождения газа, причем измерительный электрод размещен на внешней поверхности стакана из твердого электролита, а эталонный газовый электрод — внутри станкана из твердого электролита, токопроводы электродов помещены в изолирующие керамические капилляры, причем керамические капилляры токопроводов измерительного эл ::трода размещены со стороны внешней поверхности керамического стакана из твердого электролита, а керамические капилляры токопроводов эталонного электрода размещены во внутреннем пространстве стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа и жестко закреплены в месте соединения стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа, а корпус выполнен из пористой керамики.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что в корпусе размещен нагревательный элемент.

З.Устройство по п.1, о т л и ч а— ю щ е е с я тем,что измерительный электрод окружен трубчатым полым телом, которое герметично закреплено на стакане из твердого электролита.

4 ° Устройство по пп 1 и 2, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что пористый керамический корпус выполнен с размером пор до 30 мм и дополнительно помещен в защитный корпус из керамики или огнеупорного металла,который снабжен каналами для отвода и подвода газа.

1142783

Изобретение относится к устройствам для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите, которое используется для контроля, управления и регулирования.

Известно устройство, содержащее S твердый электролит, выполненный в виде пробирки, измерительный электрод, нанесенный на ее внешнюю поверхность и электрод сравнения, размещенный во внутренней полости пробирки (Патент 10

США Р 4169778, кл.204-1955, G 01 N 27/46, опублик.1979).

Однако данное устройство сложно, в изготовлении и не характеризуется длительным сроком работы. 15

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите, содержащее размещенные в корпусе по крайней мере один измерительный электрод с токоотводом и эталонный газовый электроЛ с токо", проводами . и трубками для подвода и отвода (Заявка ФРГ 9 2061599, кл. G 01 N 27/58, опублик.1978)-..

Однако известное устройство не. отличается простотой и надежностью монтажа при.промышленном серийном изготовлении. После нескольких операций снижается надежность электрической проводки к измерительной ячейке. Кроме того, используются металлические части, в то время как для предотвращения коррозии целесообразнее применять керамические.

Цель изобретения — упрощение изго-35 товления и удешевление устройства, а также повышение надежности в работе и обеспечение возможности применения его для анализа отдельных газов или параллельно нескольких ур разных газов при незначительных изменениях их отдельных частей и в случае использования многих стандартных частей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите, содержащем размещенные в корпусе по крайней мере один измерительный электрод с токопроводом и эталонный газовый электрод с токопроводами и .трубками для подвода и отвода газа, твердый электролит, выполненный в виде стакана или в виде части стакана, жестко соединен одним из торцов с трубкой подвода или отвода газа, в другом торце стака 5 на с помощью герметичного материала установлена трубка для прохождения газа, причем измерительный электрод размещен на внешней поверхности стакана из твердого электролита, а эталон-60 ный газовый электрод - внутри стака на из твердого электролита, токопрово- ды электродов помещены.в изолирующие керамические капилляры, причем керамические капилляры токопроводов f5 измерительного электрода размещены со стороны внешней поверхности керамического стакана из твердого электролита, а керамические капилляры токопроводов эталонного электрода размещены во внутреннем пространстве стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа и жестко закреплены в месте соединения стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа, а корпус выполнен из пористой керамики.

В корпусе может быть размещен нагревательный элемент.

Измерительный электрод окружен трубчатым полым телом, которое герметично закреплено на стакане из твердого электролита.

Кроме того, пористый керамичес.— кий корпус выполнен с размером пор до 30 мм и дополнительно помещен в защитный корпус из керамики или огнеупорного металла, который снабжен каналами для отвода и подвода газа.

На фиг.1а схематически представлено устройство с гальваническими ячейками на твердом электролите с капиллярами, в которых размещены токопроводы, б — капилляры в месте их жесткого закрепления, в — капилляры в виде многокапиллярной трубы; на фиг.2а — то же, капилляры выполнены в виде многокапиллярной трубы и трубки для подвода или отвода газа, б — твердый электролит выполнен в виде стакана; на фиг.3 — двуфункциональная конструкция на стакане из твердого электролита; на фиг.4 гальваническая ячейка на твердом электролите с большими электродами, полым корпусом, окружающим измерительный электрод, и пристроенными частями; на фиг.5 — трехфункциональная конструкция ; содержащая два ста- кана из твердого электролита; на фиг.6 — устройство с гальванической ячейкой на твердом электролите без нагревателя; на фиг ° 7 — то же с двухфункциональной конструкцией на ста- . кане из твердого электролита в нагревательном устройстве.

Конструкция гальванической ячейки на твердом электролите со стаканом из твердого электролита 1, внешним электродом 2, внутренним электродом 10, керамическими изоляционными капиллярами 3, отверстием 6 в выемке 5, жестко вмонтированными при использовании керамических капилляров в виде многокапиллярной трубы 7, и токоподводами к электродам 4 и 11„ а на фиг.2 — устройство (повернутое на 90 ) после соединения его с трубой 13 подвода и отвода газа с изоляционной трубой 14. Защита против воздействия натяжения, давления или сдвига на электроды 2 и 10 и токо- подводящие контакты 4 и 11 обеспечи1142783 вается изгибом проводов перед входом и после выхода из отверстия 6 с помощью трех приваренных жаропрочных металлических пластинок 8 и запора

9 (фиг.1> в и фиг;2).

Механически стабильный узел 5 путем термообработки герметично присоединяют к трубе 13 подвода или от-. вода с помощью герметизирующей массы 12. Стабильное соединение стакана из твер,ого электролита 1 с трубой 10

13 подвода или отвода может быть улучшена посредством подгонки со шлифом, например, 17 (фиг.2а)..После соединения ячейки на твердом элек- . тролите с трубой подвода и отвода 15 газа, после проверки работы ячейки и после проведения мер для улучшения работы эталонного внутреннего электрода в открытый конец -стакана из твердого электролита вставляют капилляр 15 со спеченной массой 16.

Для измерения парциальных давлений кислорода стакан выполняют из стабилизированной двуокиси циркония.

При использовании твердых электролитов, из которых не может быть изготовлен механически стабильный стакан, на трубу 13 подвода или отвода газа насаживают пористый керамический корпус, состоящий,например, из 80 вес.% А1 0 и 20 вес.%

SiO или из чистого А1 0 или МО, и пропитывают его одним или различными твердоэлектролитными веществами,. предпочтительно в состоянии жидкого расплава. Можно. также использовать газонепроницаемую трубу, например, из спеченного корунда с необходимым количеством окон, в которые вставлены части из чистого твердого электролита или пористые керамические ча-40 сти с твердым электролитом в порах.

В качестве герметизирующей массы 12 между твердым электродом 1 и стабилизированной СаО двуокиси цир- кония и трубой 13 подвода и отвода газа из спеченного корунда исполь-.. зуется, например, смесь из стекла, изготовленного из, мас. ч: ВаСОЗ О; .

SiOz 8; AlzO> 1 и 5 вес.% размельченной двуокйси циркония. Для получения соединения температура в зоне герметиэирующей массы должна достигать

1375 С. Путем замены большей или меньшей части BhCO> íà СаСО> можно изменять коэффициент расширения °

Максимальной температура в процессе расплава и охлаждения должна быть в зоне трубы из спеченного корунда, вследствие большей теплопроводности последнего по сравнению с двуокисью циркония.

От второго внешнего измерительного электрода 21 и герметично проведен во внутрь трубы 13 подвода или отвода с многокапиллярной трубкой 23 токопровод 22. Электрод 21 покрыт,нап- 65 ример, золотом, а электроды 2 и 10 платиной.

В ячейке на твердом электролите из стабил зированной двуокиси циркония при измерении напряжения между электродами 2 и 10 можно определить парциальное давление кислорода, а при измерении напряжения между электродами 2 и 21 можно обнаружить присутствие горючих веществ наряду с кислородом.

Для амперометрических и кулонометрических способов анализа целесообразно увеличить электроды как это изображено на фиг.4 на примере измерительного электрода 24 и противоположного электрода 25. С целью получения граничного тока, соответствующего определяемой концентрации газа, или определения концентрации газа с помощью повторяющегося доэирования газа из пробы газа от контролируемого газа с помощью трубчатого полого тела 26 отделяют определенный объем.

Трубчатое полое тело 26 герметически присоединено к краевому выступу 27 стакана из-твердого электролита посредством герметизирующей массы 12.

Через кольцевую щель 28, пропускная способность которой может быть органичена пористым материалом, происходит непрерывный обмен газа.

При измерениях или измеряют протекающий граничный ток при приложении постоянного напряжения, или по времени и току определяют заряд, ко-. торый необходим для почти полного отделения газа после одного периода полного выравнивания концентраций.

По сравнению с потенциометрическим способом обеспечиваются непосредственное получение сигналов, пропорциональных концентрации газа, возможность работать без эталонного газа с противоположным электродом в присутствии контролируемого газа.

Число измерительных функций можно увеличить, если, как это изображено на фиг.5, к стакану из твердого электролита 1 герметично с помощью герметизирующей массы 30 присоеди-. нить стакан 29 из твердого электролита другого состава.

Стакан из твердого электролита

29 может представлять собой пористую керамическую трубку с K>SO+ в порах. Электрод сравнения на этой трубке состоит из слоя 31 из Х ЯО с 1 вес.% Ag SO H слоя из чистого серебра, которйй контактирует с сеткой 32 из серебра на проводе 33.

Для предотвращения разрушения электрода сравнения,из-за реакции восстановления необходимо, чтобы воздушный поток одновременно продувал электрод сравнения в стакане из твердого электролита 1 и электрод сравнения в стакане из твердого электролита 29.

1142783 д

Юиг.1

Расположение присоединенной к трубе подвода и отвода газа гальванической ячейки на твердом электролите s пористой керамической трубе

34, которая действует одновременно в качестве фильтра и корпуса, показано на фиг.б и 7. На фиг.б представлена гальваническая ячейка на твердом электролите без нагревательного устройства в защитном корпусе 35 с запорными шайбами 36-39, температурой в 10 чехле 40 и каналом 41 для подачи контролируемого газа. Защитный корпус 35 выполнен пористой и, кроме того, имеет на одной стороне каналы для подвода и отвода газа. На 15 фиг.7 представлено двуфункциональное устройство согласно фиг.3 в трубчатом нагревательном устройстве 42 с вырезами в средней части. Кроме термопары, в чехле 40 для измерительного щ электрода 2 предусмотрена вторая термопара в чехле 43 для второго,. расположенного вне температурного максимума измерительного электрода 21, Термопары в чехле вместе с каналом

41 для контролируемого газа и токопроводами нагревательного устройства закреплены в изолирующей трубе 44 на направляющей трубе 13 с помощью крепления 45.

Ограничение объема контролируемого газа обеспечивают запорные шайбы

37-39, абсолютные нити 46 и 47, проложенные в пазах корпуса нагревательного элемента, несущие трубки 48 и 49, а также асбестовое волокно

50, которое покрыто герметизирующей массой 51 °

Устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите является многофункцинальным, т.е. может быть использовано для непрерывного измерения горючих составных частей газов, таких как кислород, двуокись серы и двуокисв углерода, с высокой чувствительностью измерений.

1142783

Фиг. 3

1142783

Составитель Г. Боровик

Техред О.Неце Корректор С.Черни

Редактор Л,Пчелинская ьЗаказ 711/39 Тираж 897 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4