Твердоэлектролитный датчик окиси углерода

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров газовых сред, и может быть использовано для измерения концентрации окиси углерода в различных газовых смесях. Датчик содержит фторпроводящий твердый электролит, электрод сравнения из смеси порошков свинца и фторида свинца и индикаторный электрод из оксифторида никеля состава NiOxF2-2x (где 0,6 х 0,95) с добавками 2 - 15 об.% платиновой черни. При исследовании газовых смесей воздух - окись углерода при комнатной температуре и влажности среды около 30 отн.% получены следующие технические характеристики: диапазон измеренных концентраций СО 10 - Г об.%, чувствительность во всем диапазоне около 50 мВ/декаду, время установления сигнала вдиапазоне 10-1 об.% составляет 50 с и при уменьшении концентрации СО до 1 10 увеличивается до 200 с, время полной релаксации - соответственно 160 и 600с, 2 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 1 7 411

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

10, ;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775145/25 (22) 29.12.89 (46) 23.07.92. Бюл. N. 27 (71) Отделение Института химической физики АН СССР (72) А.Н.Алейников, Н.Н.Алейников, Н.Н.Вершинин и Ю.И,Малов (56) Патент США М 4388155, кл. G 01 N

27/46, 1983.

Патент Англии N 2119933, кл. 6 01 N 27/56, 1983.

Proc. Inter u Meeting !п chem. Sensors

Fukuoko 1983, р. 233.

Патент Франции N. 2382012, кл. G 01 N 27/46, 1978.

Solid State Jonics, 1983, v. 9-10, р, 1291.

Chem. Letters, 1984, N 8, р. 1295-1296. (54) ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНЫЙ ДАТЧИК

ОКИСИ УГЛЕРОДА (57) Изобретение относится к электроизме рительной технике, в частности к датчикам

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров окружающей среды, и может быть использовано для измерения концентрации окиси углерода в различных газовых средах, Известные способы определения окиси углерода (СО) в газовых средах, связанные с отбором проб и дальнейшим их анализом химическими или спектральными методами, требуют много времени и не могут быть исконтроля параметров газовых сред, и может быть использовано для измерения концентрации окиси углерода в различных газовых смесях. Датчик содержит фторпроводящий твердый электролит, электрод сравнения из смеси порошков свинца и фторида свинца и индикаторный электрод из оксифторида никеля состава %Охи-2х (где 0,6 х 0,95) с добавками 2 — 15 об. (платиновой черни.

При исследовании газовых смесей воздух— окись углерода при комнатной температуре и влажности среды около 30 отн. 7; получены следующие технические характеристики: диапазон измеренных концентраций

СО 10 — 1 10 об. (, чувствительность во всем диапазоне около 50 мВ/декаду, время установления сигнала вдиапазоне10 — 1об.7; составляет 50 с и пои уменьшении концентрации СО до 1 10 увеличивается до 200 с, время полной релаксации — соответственно

160 и 600 с, 2 ил. (;Ь пользованы для дистанционных измерений, Более перспективными являются твердотельные датчики с электрическим выходом, ъ в частности потенциометрические.датчики на твердых электролитах.

Известны твердоэлектролитные датчики СО, использующие в качестве ТЭЛ кислородпроводящие материалы на основе

Zr0z-СаО или Р-глинозема.

Недостаток этих датчиков в том, что они работают только при высоких (более 300 С) 1749816 температурах, что связано с низкой ионной проводимостью взятых материалов. Есть варианты создания датчиков CO для работы при температурах окружающей среды. В этих случаях используют протонные ТЭЛ типа Sb205 п Н2О, полимерные ТЭЛ или фторпроводящие твердые электролиты типа

PbSnF4, Этот тип датчиков имеет при комнатной температуре весьма низкое быстродействие и неширокий интервал измеряемых концентраций.

Наиболее близким к изобретению является датчик окиси углерода, содержащий фторпроводящий ТЭЛ на основе LaFa, электрод сравнения из смеси фторида олова с металлическим оловом и чувствительный электрод из порошкообразной платины, При комнатной температуре датчик практически неработоспособен из-за низкой чувствительности и малого быстродействия, но при 100 С он имеет следующие характеристики; чувствительность около 30 мВ/декаду, время установления сигнала на уровне

0,9Еуст, порядка 10 мин и нижний предел измерения концентраций CO 1 10 атм, Таким образом, к недостаткам прототипа можно отнести его низкое быстродействие и ограниченный диапазон измеряемых концентраций.

Целью изобретения является повышение быстродействия и расширение диапазона измеряемых концентраций CO npu работе в области комнатных температур, Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом датчике окиси углерода содержащем фторпроводящий твердый электролит и электрод сравнения из смеси металла с его фторидом, индикаторный электрод изготавливают из оксифторида никеля состава М ОХГ2-2х (где 0,6 х 0,95) с добавками 2 — 15 об, / платиновой черни.

Электрод сравнения изготавливают из смеси порошков свинца и фторида свинца, На фиг. 1 приведен предлагаемый датчик окиси углерода; на фиг,2 — калибровочная кривая для одного из датчиков, Датчик содержит металлический корпус

1 в виде полого цилиндра с сетчатым дном, в который вставлена изолирующая втулка 2.

На дно стакана последовательно зайрессовывают токоотвод из металлической сетки

7, индикаторный электрод 3, фторпроводящий ТЭЛ 4, электрод 5 сравнения и токоотвод 6, залитый герметиком 9. Между токоотводами 6 и 7 включается вольтметр 8 постоянного тока.

Принцип аботы предлагаемого датчика заключается в следующем.

25. отн. получают следующие технические ха50

Если в измеряемой газовой среде отсутствует окись углерода, то между индикаторным электродом и электродом сравнения устанавливается начальная ЭДС, соответствующая выбранной электрохимической системе, При наличии в газовой системе СО происходит изменение ЭДС, пропорциональное ее концентрации, Калибровочная кривая для одного из датчиков при измерении смесей воздух-СО при комнатной температуре приведена на фиг. 2.

Пример 1, В изолирующую втулку из оргстекла с внутренним диаметром 0,5 см последовательно запрессовывают токоотвод из никелевой сетки, электрод сравнения из смеси металлического свинца и PbF2 (по

50 мас, каждого) общим весом 10 мг, слой фторпроводящего ТЭЛ состава 0.94 FbF2

0,02 caF2 0,04 KF весом 100 мг и индикаторный электрод весом 10 мг, состоящий из оксифторида никеля состава NiOo,sFo,4 с добавкой 8,0 об, платиновой черни, При исследовании смесей воздуха с окисью углерода при 20 С и влажности около 30 рактеристики: диапазон измеряемых концентраций СО 10 — 1 10 об., чувствительность около 50 мВ/декаду, время установления сигнала на уровне 0,9Е (быстродействие) 50 с, время релаксации 160 с (для концентрации CO 1 — 10 об.%). При малых концентрациях быстродействие и время релаксации увеличиваются в несколько раз (так для концентрации СО около

1 10 об, эти величины составляютсоответственно 200 и 600 с). Градуировочная кривая этого датчика приведена на фиг,2.

Пример 2, Изготовление датчика и его испытание аналогичны примеру 1, В качестве ТЭЛ используют состав 0,96

PbF2 — 0,04 KF. Индикаторный электрод выполняют из оксифторида никеля состава й!00,95Ро,1 с добавкой 15 об.. платиновой черни, Технические характеристики для смесей воздух — СО: диапазон измеренных концентраций 10 — 1 10 об.%. Чувствительность 40 м В/декаду, быстродействие 60 с, время релаксации 200 с (для диапазона от

10 до 1 об,% СО).

Пример 3, Изготовление датчика и его испытание аналогично примеру 1.

Состав взятого ТЭЛ 0,94 Рьр2 — 0,02

caF2 0,04 KF, ИнДикаторный электроД выполнен из оксифторида никеля состава

NiOo,6Fo,8 с добавкой 2 об. платиновой черни. Технические характеристики для смесей воздух — CO: диапазон исследуемых концентраций 10 — 1 10 об.%, чувстви-5

17498

16 тельность 45 мВ/декаду, быстродействие в интервале 10- 1 об. СО 55 с., время релаксации 180 с.

Пример 4, Изготовление датчика и его испытание аналогичны примеру 1. 5

Состав твердого электролита 0,96 PbFz

-0,04 KF. Индикаторный электрод выполнен из оксифторида никеля состава NIOo,4sF1,1 с добавкой 20 об. платиновой черни. Технические характеристики: диапазон измерен- 10 ных концентраций СО 10 — 1 10 об., чувствительность 30 мВ/декаду, быстродействие 5 мин, время релаксации 20 мин.

Пример 5. Изготовление датчика и его испытание аналогичны примеру 1. 15

Состав твердого электролита 0,96 pbF2—

0,04 KF. Индикаторный электрод выполнен из оксифторида никеля состава NIOo,ввЕо,o2 с добавками 0,5 об. платиновой черни.

Технические характеристики: диапазон из- 20 меряемых концентраций 10 — 5 10 об., чувствительность 20 мВ/декаду, быстродействие 10 мин.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предлагаемый твердоэлект- 25 ролитный датчик окиси углерода имеет по сравнению с прототипом более высокое(более, чем на порядок) быстродействие даже без учета разницы в рабочих температурах (в прототипе измерения ведут при 100 С), а конкретно 50-60 с. Предлагаемый датчик имеет более широкий (на два порядка) диапазон измерений концентраций СО в воздухе (до 1 10 об.о ). Изобретение может найти применение в таких областях народного хозяйства как теплоэнергетика, экология.

Формула изобретения

Твердоэлектролитный датчик окиси углерода, содержащий помещенные в изолирующий корпус фторпроводящий твердый электролит, электрод сравненйя из смеси металла с его фторидом и индикаторный электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения диапазона измеряемых концентраций, индикаторный электрод изготовлен из порошкообразного оксифторида никеля состава NIOxF2-ь(где 0,6 х <0,95) с добавкой от 2 до 15 об. платиновой черни.

1749816

Гм

8о

Фиг-2

Составитель Н.Вершинин

Техред М,Моргентал Корректор М.Шароши

Редактор Н,Гунько

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2592 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5