Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей



Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей

 


Владельцы патента RU 2483300:

Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (RU)

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам для анализа газовых сред. Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей содержит диск из твердого электролита с кислородной проводимостью с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на противоположные поверхности этого диска, диск из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на его противоположные поверхности, и капилляр. Оба диска и капилляр герметично соединены между собой, а внутренние электроды обоих дисков соединены между собой напрямую. Изобретение обеспечивает упрощение процесса измерения влажности газовых смесей в широком диапазоне температур и упрощение конструкции датчика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам для анализа газовых сред и может быть использовано для измерения влажности, как чистых газов, так и газовых смесей различного состава.

Известен датчик для термометрического измерения абсолютной влажности газов (Сенсорика - датчики и измерительные элементы для автоматизации производства, URL: http//www.sensorica.ru/docs/art3.shtml) [1]. Датчик состоит из двух согласованных NTC термисторов, включенных по мостовой схеме. Выходное напряжение моста прямо пропорционально абсолютной влажности. Один термистор герметично изолирован в сухом азоте, а корпус другого открыт. При прохождении тока через термисторы термосопротивление увеличивает температуру до более 200°C. Тепло, рассеиваемое с герметичного термистора, больше, чем тепло открытого термистора, за счет разницы в теплопроводности водяного пара и сухого азота. Поскольку рассеиваемое тепло создает разные рабочие температуры, разница сопротивлений термисторов пропорциональна абсолютной влажности. К недостаткам известного датчика относится: зависимость выходного сигнала (мВ) от температуры анализируемого газа, т.к. его калибровка должна производиться при определенной выбранной температуре. Кроме того, известный датчик обеспечивает ограниченный диапазон измерения влажности, т.к. при больших содержаниях влажности (>100-120 г/м куб.) наступает насыщение. Датчик не может работать при повышенных температурах (>250°C).

Известен датчик для электрического измерения влажности газов (патент РФ №2298781, опубл. 10.05.2007 г.) [2]. Датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевого пьезоэлемента с серебряными электродами, покрытыми слоем сернистого серебра с нанесенным на электроды сорбционным покрытием, например капроном, имеющим термодинамически устойчивую кристаллическую структуру. Частота кварцевого пьезоэлемента (F) и толщина пленки сорбента (h) выбираются в соответствии с выражением hF=13 ч 15 мкмМГц, причем частота кварцевого пьезоэлемента выбрана в пределах от 9 до 25 МГц. К недостаткам известного датчика относится невысокая точность измерения, т.к. характеристика кварцевого пьезоэлемента зависит от температуры анализируемого газа. Кроме того, известный датчик характеризуется ограничениями по температуре анализируемой среды, обусловленными термостойкостью сорбционного покрытия (капрон), а также необходимостью в очистке пробы газа от пыли, которая будет сорбироваться на капроне и искажать результаты измерения. Датчик сложен в изготовлении.

Известен гигрометр, содержащий датчик для кулонометрического измерения влажности газов (патент РФ №2413935, публ. 10.03.2011 г.) [3]. Датчик включает блок формирования потока со стабилизатором расхода газа, кулонометрическую ячейку, состоящую из двух частей - рабочей и контрольной, которые расположены друг за другом. При этом соотношение длин контрольной и рабочей частей не менее 1/3. К недостаткам известного датчика относится необходимость в стабилизации расхода анализируемого газа. Вследствие низкой термостойкости органического сорбента известный датчик может анализировать газ в узком диапазоне температур. Датчик сложен в изготовлении.

Задача настоящего изобретения - расширение сферы использования датчика.

Заявлен твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей. Датчик содержит диск из твердого электролита с кислородной проводимостью с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на противоположные поверхности этого диска, диск из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на его противоположные поверхности, а также капилляр, при этом оба диска и капилляр герметично соединены между собой, внутренние электроды обоих дисков соединены между собой напрямую. Электроды датчика выполнены из пористого некаталитического материала.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Состав кислородпроводящего и протонпроводящего твердых электролитов выбран из максимальной ионной проводимости указанных материалов для работы при температуре 400-700°C. Под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания к внешним электродам дисков, идет процесс электролиза паров воды, находящихся в анализируемом газе и их разложение на кислород и водород. При этом кислород откачивается из внутренней полости датчика по электрохимической цепи: внутренний электрод - твердо-электролитный диск - наружный электрод, а водород откачивается по цепи: внутренний электрод - твердоэлектролитный диск - наружный электрод. Откачка кислорода производится в поток анализируемого газа. Величина измеряемого тока зависит только от количества воды, подвергшейся электролизу во внутренней полости датчика, потому что количество кислорода, откаченного через кислородпроводящий электролит, и количество водорода, откаченного через протонпроводящий электролит, будут соответствовать стехиометрии реакции разложения воды на водород и кислород:

2H2O=2H2+O2;

При этом наличие в анализируемом газе свободного кислорода или водорода не будет влиять на величину предельного тока, т.к. электрическая цепь закорочена и протекание кислородных ионов через кислородпроводящий электролит и водородных ионов через протонпроводящий электролит сверх стехиометрического значения исключено. Анализируемый газ через капилляр будет непрерывно поступать из окружающей среды во внутреннюю полость датчика и вытеснять оттуда газ, уже обедненный по влаге. С течением небольшого промежутка времени установится стационарное состояние, когда диффузионный поток анализируемого газа, обедненного по влаге, из внутреннего объема датчика станет равным потоку анализируемого газа, поступающего во внутреннюю полость датчика. Ток, протекающий через датчик в процессе достижения стационарного состояния, изменится, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током датчика - Icm.

Применение электродов из пористого некаталитического материала позволяет ускорить процесс транспортирования анализируемого газа к поверхности электролитов и исключить взаимодействие водорода и кислорода на поверхности электродов.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в упрощении процесса измерения влажности газовых смесей за счет исключения необходимости стабилизации расхода анализируемого газа, в возможности измерения влажности газовых смесей в широком диапазоне температур, а также в упрощении конструкции датчика.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором изображен заявляемый датчик. Твердоэлектролитный датчик содержит диск 1 из кислород-проводящего твердого электролита с внутренним 2 и наружным 3 пористыми электродами, выполненными из некаталитического материала (например из Ag или In2O3). Второй диск 4 выполнен из протонпроводящего твердого электролита с внутренним 5 и наружным 6 пористыми электродами из некаталитического материала (например из Ag или In2O3 или других композиций). Датчик содержит капилляр 7, который служит диффузионным барьером и омывается потоком анализируемого газа. Оба диска и капилляр соединены между собой стеклом-герметиком 8. Внутренние электроды дисков 1 и 4 закорочены между собой проводником 9. Датчик находится в равномерном температурном поле, которое создается анализируемой газовой средой или нагревателем 10.

В качестве кислородпроводящего твердого электролита 1 используется двуокись циркония, стабилизированная оксидом иттрия, или другие оксидные композиции, обеспечивающие число переноса за счет ионов кислорода, равное или близкое 1. В качестве протонпроводящего твердого электролита 4 используется цирконат кальция или другие оксидные композиции, обеспечивающие число переноса за счет ионов водорода, равное или близкое 1. В режиме измерения анализируемый газ диффундирует из газового потока через капилляр 7 во внутреннюю полость датчика. Под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания ИН-1 к внешним электродам 3 и 6 дисков 1 и 4, идет процесс электролиза паров воды, находящихся в анализируемом газе, и их разложение на кислород и водород. При этом кислород откачивается из внутренней полости датчика по электрохимической цепи: внутренний электрод 2 - твердоэлектролитный диск 1 - наружный электрод 3, а водород откачивается по цепи: внутренний электрод 5 - твердоэлектролитный диск 4 - наружный электрод 6. Откачка кислорода производится в поток анализируемого газа. Величина приложенного напряжения от источника ПН-1 должна быть не менее 1 В, что позволит обеспечить полный электролиз водяных паров. Величина тока датчика, измеряемая измерителем тока ИТ-1, зависит только от количества воды, подвергшейся электролизу во внутренней полости датчика, потому что количество кислорода, откачанного через электролит 1, и количество водорода, откачанного через электролит 4, будут соответствовать стехиометрии реакции разложения воды на водород и кислород:

.

Анализируемый газ через капилляр 7 непрерывно поступает из окружающей среды во внутреннюю полость датчика и вытесняет оттуда газ, уже обедненный по влаге. С течением небольшого промежутка времени устанавливается стационарное состояние, когда диффузионный поток анализируемого газа, обедненного по влаге, из внутреннего объема датчика становится равным потоку анализируемого газа, поступающего во внутреннюю полость датчика. Ток, протекающий через датчик в процессе достижения стационарного состояния, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током датчика - Icm.

Таким образом, измерив величину предельного диффузионного тока датчика - Icm. известными методами можно однозначно определить влажность анализируемого газа.

1. Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей, содержащий диск из твердого электролита с кислородной проводимостью с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на противоположные поверхности этого диска, диск из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на его противоположные поверхности, и капилляр, при этом оба диска и капилляр герметично соединены между собой, притом что внутренние электроды обоих дисков соединены между собой напрямую.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из пористого некаталитического материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к аналитической химии и приборостроению, может быть использовано для различных анализов жидкой пробы и направлено на уменьшение времени анализа и увеличение воспроизводимости результатов анализа за счет автоматизации забора жидкой пробы перед ее перемещением в реактор, а также возможности забора пробы как из одиночной емкости, так и из множества емкостей, проходящих точку забора пробы, а также из потока анализируемой жидкости.

Изобретение относится к области анионпроводящих неорганических твердых электролитов, а именно к керамическим твердым электролитам, обладающим высокой проводимостью по сульфид-ионам в области температур (300-500°С), и может быть использовано для исследования кристаллических и аморфных полупроводниковых сульфидов методом ЭДС, в составе электрохимических ячеек для кулонометрического изменения состава нестехиометрических соединений и для газового анализа серосодержащих сред, в твердоэлектролитных источниках тока.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов, а точнее к системам, определяющим содержания кислорода, использующим твердоэлектролитные ячейки, и может быть использовано в прикладной электрохимии, металлургии, энергетике, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода в жидких и газовых средах.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в энергетике, ядерной технике, химической технологии, металлургии, газовом анализе для измерения содержания водорода в расплавах щелочных металлов и их парах, инертных газах и водяном паре.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть применено в аналитическом приборостроении. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу, и может быть использовано при разработке газоанализатора, предназначенного для измерения парциального давления кислорода в обогащенном кислородом воздухе, применяемом для дыхания экипажей высотных самолетов и в барокамерах.
Изобретение относится к области газового анализа и аналитическому приборостроению, в частности к технологии изготовления электродов на твердом электролите из стабилизированного диоксида циркония, и может быть использовано при производстве кислородных датчиков с электрохимической твердоэлектролитной ячейкой.

Изобретение относится к устройствам для контроля параметров газовых сред, в частности к контролю газовых смесей, содержащих кислород и водород, и может быть использовано в атомной энергетике, транспортном, химическом машиностроении и других отраслях техники, например, для контроля водородной взрывобезопасности. Система контроля кислорода и водорода в газовых средах содержит канал, входной сенсор водорода, расположенный во входной части полости канала, входной каталитически активный элемент, установленный в поперечном сечении средней части полости канала за входным сенсором водорода, выходной сенсор водорода и сенсор кислорода, расположенные в выходной части полости канала после входного каталитически активного элемента, причем сенсоры подключены к системе регистрации и управления. Система дополнительно снабжена выходным каталитически активным элементом, установленным в поперечном сечении выходной части полости канала за выходным сенсором водорода и сенсором кислорода, причем входной и выходной каталитически активные элементы снабжены автономными нагревателями для поддержания коэффициента рекомбинации водорода на каталитически активных элементах равным 1. Изобретение обеспечивает возможность непрерывного контроля кислорода и водорода в газовой смеси в объеме помещения с высокой степенью точности и надежности. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану (11), пористую электроизоляционную керамику (7) и корпус (5) с потенциалосъемником (9), керамический чувствительный элемент (4) с эталонным электродом (14), пористый платиновый электрод (8), кремнеземную ткань (6), соединительный материал (12), пробку (10) с отверстием, гермоввод (2), цилиндрическую втулку (1). Полость корпуса (5) между гермовводом (2) и керамическим чувствительным элементом (4) герметична. Керамический чувствительный элемент (4) выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента (4) герметично соединена с корпусом (5) посредством соединительного материала (12). Эталонный электрод (14) расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента (4) и поверхностью пробки (10). Наружная сферическая часть керамического чувствительного элемента (4) покрыта слоем пористого платинового электрода (8). Конец центральной жилы (13) выведен через отверстие в пробке (10) в объем эталонного электрода (14). Втулка (1) соединена с нижней частью корпуса (5). Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей, снижении стоимости и увеличении быстродействия датчика. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для определения концентрации кислорода и водорода в газовой среде относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для контроля параметров газовых сред, в частности содержащих кислород и водород. Устройство состоит из канала (7), расположенного под углом к горизонту, входного сенсора водорода (2) и входного сенсора кислорода (3), расположенных во входной части полости канала (7), входного каталитически активного элемента (1), установленного в полости канала (7) над выходными сенсорами водорода (2) и кислорода (3), выходного сенсора водорода (5) и выходного сенсора кислорода (6), расположенных в полости канала (7) между входным (1) и выходным (4) каталитически активными элементами. Причем входной (2) и выходной (4) каталитически активные элементы выполнены из высокопористых ячеистых материалов с нанесенным на их поверхность платиновым покрытием. В качестве входного сенсора водорода (5) и выходного сенсора водорода (7) использованы твердоэлектролитные датчики концентрации водорода с керамическим чувствительным элементом, выполненным из кислородпроводящей керамики. Технический результат заключается в повышении быстродействия и чувствительности устройства, обеспечении защиты от ошибочных показаний устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения кислородосодержания и влажности газов. Способ измерения кислородосодержания и влажности газа. В поток анализируемого газа помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованную двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположена пара электродов, к электродам дисков подают напряжение постоянного тока. При напряжении величиной 500-700 мВ откачивают свободный кислород, находящийся во внутренней полости ячейки, и по величине предельного тока, соответствующего содержанию свободного кислорода в анализируемом газе, определяют кислородосодержание. При дальнейшем увеличении напряжения до 1300-1500 мВ из полости ячейки откачивают связанный кислород и по величине предельного тока, соответствующего суммарному содержанию свободного кислорода в анализируемом газе и связанного кислорода, полученного в результате электролиза паров воды, определяют влажность анализируемого газа. Техническим результатом является расширение арсенала средств для измерения влажности анализируемого газа и возможность дополнительно определять кислородосодержание в нем, а также повышение надежности способа. 2 ил.

Электрохимическая ячейка относится к устройствам для определения концентраций серосодержащих газов в газовых смесях с применением твердотельных датчиков газа. Устройство предназначено для качественного и количественного определения серосодержащих газов (сероводорода и диоксида серы) в отходящих газах химических производств, теплоэлектростанций, для анализа светлых и темных нефтепродуктов и может быть использовано для определения предельно допустимых концентраций (ПДК) серосодержащих газов в химической, нефтехимической, медицинской и пищевой отраслей промышленности. Электрохимическая ячейка для анализа серосодержащих газов включает трубку из кварцевого стекла с расположенными внутри нее штуцерами для подачи и отвода газа, токоподводящими графитовым и нихромовыми проводниками, графитовым электродом, сульфидпроводящей мембраной, электродом сравнения, расположенным в графитовом проводнике и выполненным из сульфида висмута с добавкой порошкообразного металлического висмута, и рабочим электродом. При этом согласно изобретению в качестве сульфидпроводящей мембраны электрохимической ячейки используют твердый электролит (CaY2S4-х мол.% Yb2S3) при следующем соотношении, мол.%: тиоиттрат кальция (CaY2S4) - 84-100%, полуторный сульфид иттербия (Yb2S3) - остальное. Изобретение обеспечивает уменьшение нижнего порога определяемых концентраций сероводорода и диоксида серы, повышение чувствительности и понижение рабочей температуры чувствительного элемента. 3 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений. Датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода. Нижняя втулка, выполненная в виде трубки, соединенной с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Вверху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена ситаллом. Изобретение обеспечивает повышение ресурса и надежности работы датчика водорода в широком диапазоне параметров рабочей среды, посредством обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха. Способ измерения влажности воздуха заключается в том, что помещают в поток анализируемого воздуха электрохимическую ячейку с полостью, образованной диском из протонпроводящего электролита и диском из кислородопроводящего электролита, на противоположных поверхностях каждого из дисков расположено по паре электродов, и капилляром, соединяющим полость с потоком газа. К электродам диска из кислородопроводящего электролита прикладывают напряжение постоянного тока, и по величине ЭДС, установившейся на электродах диска из протонпроводящего электролита, рассчитывают влажность анализируемого воздуха, при этом напряжение постоянного тока прикладывают к электродам диска, выполненного из кислородопроводящего твердого электролита, с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, а величину напряжения выбирают из условия обеспечения в цепи постоянного тока величиной 10-15 мА. 4 ил.

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов и может быть использовано в энергетике, металлургии, нефте- и газодобывающей отраслях, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода и химического недожога в газовых средах. Предложен чувствительный элемент газоанализатора кислорода и химнедожога, включающий эталонный электрод и два измерительных электрода, выполненные из пористого материала, обладающего каталитической активностью. Предлагаемый чувствительный элемент состоит из двух твердоэлектролитных электрохимических ячеек, герметично закрепленных в общем термоизоляционном чехле при помощи металлической шайбы. Причем каждая электрохимическая ячейка содержит твердый электролит из диоксида циркония, герметично соединенный с электроизолятором из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели и выполненный в виде усеченного конуса, герметично установленного в конические отверстия металлических трубок из феррито-мартенситной стали. Каждая из электрохимической ячейки снабжена термопарой, совмещенной с потенциалосъемником, расположенными коаксиально внутри каждой электрохимической ячейки. При этом обе ячейки содержат эталонный и измерительный электрод, нанесенные на наружную и внутреннюю поверхности каждой электрохимической ячейки. Термопары с потенциалосъемниками имеют электрический контакт с соответствующими эталонными электродами, при этом в термоизоляционном чехле размещен первый электронагреватель, Изобретение обеспечивает повышение точности и представительности измерений, повышение быстродействия, увеличение межповерочного интервала и ресурса работы. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх