Электрохимический датчик кислорода

 

Использование: для непрерывного контроля содержания кислорода в газовых смесях и для определения содержания в этих смесях продуктов неполного сгорания топлива. Сущность изобретения: один из измерительных электродов, выполненный из платиновой проволоки, охватывает пробирку из твердого электролита не менее одного раза и покрыт слоем твердого электролита, имеющим пористую структуру. 1 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для непрерывного контроля содержания кислорода в газовых смесях и для определения содержания в этих смесях продуктов неполного сгорания топлива.

Известны электрохимические датчики кислорода с твердым электролитом. Эти датчики оснащены двумя электродами: эталонным и измерительным [1].

Недостаток этих датчиков заключается в том, что они не позволяют определять наличие и количество продуктов неполного сгорания топлива в анализируемом газе.

Известен электрохимический датчик кислорода с тремя электродами, содержащий пробирку из твердого электролита с размещенным внутри нее эталонным электродом и двумя нанесенными на ее внешнюю поверхность измерительными электродами, один из которых выполнен из материала, обладающего каталитической окислительной активностью [2].

Датчик не позволяет проводить измерения в агрессивной среде с необходимой точностью.

Предлагается электрохимический датчик кислорода, содержащий пробирку из твердого электролита с размещенным внутри нее эталонным электродом и двумя, размещенными на ее внешней поверхности, измерительными электродами, с различной каталитической окислительной активностью. При этом первый электрод выполнен из пористой платины, а второй - из платиновой проволоки, которая охватывает пробирку не менее одного раза и покрыта слоем твердого электролита, имеющим пористую структуру.

Изобретение позволяет упростить процесс измерения, повышает точность и надежность работы в химически агрессивной среде и расширяет эксплуатационные возможности датчика путем применения его, например, для определения продуктов неполного сгорания топлива в анализируемом газе.

На чертеже представлен датчик кислорода.

Электрохимический датчик кислорода содержит пробирку 1 из твердого электролита, эталонный электрод 2, измерительные электроды 3 и 4, трубку 5 для подачи эталонного газа, трубку 6 для сбрасывания эталонного газа в атмосферу, слой 7 твердого электролита на электроде 4.

Датчик работает следующим образом.

Пробирка 1 из твердого электролита прогревается анализируемым газом или при помощи нагревателя до заданной температуры. По трубке 5 эталонный газ с известным содержанием кислорода, например воздух, подается на эталонный электрод 2 датчика, что обеспечивает стабильную величину электрического потенциала эталонного электрода L1. Эталонный газ сбрасывается в атмосферу через трубку 6.

Анализируемый газ омывает наружную поверхность пробирки 1 с нанесенными на нее измерительными электродами 3 и 4. На поверхности и в порах каталитического измерительного электрода 3 происходит окисление продуктов неполного сгорания топлива. Электрический потенциал каталитического электрода 3 - L2 характеризует концентрацию кислорода, оставшегося в анализируемой газовой смеси после окисления ее горючих компонентов, и приведение газовой смеси к равновесному составу при данной температуре.

Поскольку электрод 4 имеет малую удельную поверхность и в значительной степени изолирован от газовой среды слоем 7 твердого электролита, то окисление продуктов неполного сгорания топлива на его поверхности несравнимо меньше, чем на электроде 3. Поэтому потенциал электрода 4 - L3 устанавливается в соответствии с исходным содержанием свободного кислорода в анализируемом газе.

При отсутствии горючих компонентов в анализируемом газе, т.е. при условии L2 = L3, количество кислорода в этой среде определяется разностью потенциалов между эталонным электродом и любым из измерительных электродов в соответствии с уравнением Нернста, при этом Е1 = Е2.

В присутствии окисляемых горючих компонентов между электродами 3 и 4 возникает разность электрических потенциалов Е3, которая характеризует количество кислорода, пошедшего на окисление этих горючих компонентов. По величине последнего можно определить и количество этих горючих компонентов.

Таким образом, электрохимический датчик кислорода позволяет с высокой точностью определять в анализируемом газе полное содержание кислорода и одновременно фиксировать наличие продуктов неполного сгорания (горючих газов) в анализируемой среде.

Выполнение электрода 4 из платиновой проволоки обеспечивает надежную работу датчика в химически агрессивной среде.

Кроме того, слой 7 твердого электролита обеспечивает плотный контакт некаталитического электрода 4 с поверхностью твердоэлектролитной пробирки 1, что снижает омическое поляризационное сопротивление датчика. Внутреннее сопротивление датчика - равно 60-80 Ом.

Уменьшение сопротивления датчика позволяет отказаться от высокоомной регистрирующей аппаратуры, что упрощает процесс измерения.

Снижение омического сопротивления позволяет расширить рабочий температурный диапазон датчика, существенно сдвигая нижнюю границу этого диапазона. Температурный диапазон датчика равен 550-700^оС, что значительно расширяет его эксплуатационные возможности.

Снижение уровня рабочих температур позволяет повысить точность измерения за счет исключения процесса догорания анализируемой смеси на поверхности электрода.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КИСЛОРОДА, содержащий пробирку из твердого электролита с размещенным внутри нее эталонным электродом и двумя размещенными на ее внешней поверхности измерительными электродами с различной каталитической окислительной активностью, один из которых выполнен из пористой платины, отличающийся тем, что второй измерительный электрод выполнен из платиновой проволоки, которая охватывает пробирку не менее одного раза и покрыта слоем твердого электролита, имеющим пористую структуру.

РИСУНКИ

Рисунок 1