Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам, предназначенным для анализа газовых сред и металлических расплавов на кислородосодержание. Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах содержит выполненный в виде пробирки твердый электролит, эталонный электрод, внутренний токосъемник с эталонного электрода, снабженный контактным кольцом защитный чехол, служащий наружным токосъемником. Датчик согласно изобретению снабжен дополнительным измерительным электродом с токосъемником, электрод расположен в средней части наружной поверхности твердо-электролитной пробирки, а защитный чехол имеет сквозные окна для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода. Изобретение обеспечивает возможность измерения как окисленности металлического расплава, так и кислородосодержания газовой фазы над расплавом, а также упрощение конструкции датчика и повышение точности измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам, предназначенным для анализа газовых сред и металлических расплавов на кислородосодержание.

Известны потенциометрические датчики для измерения концентрации кислорода в газовых средах, изготовленные с использованием твердых электролитов, обладающих кислородно-ионной проводимостью. Так, известен электрохимический датчик для непрерывного измерения концентрации кислорода в газовых средах (А.с. СССР №1203427, публ. 07.01.1986 г.) [1]. Датчик содержит пробирку из твердого окисного электролита, закрытую эластичной головкой. На внешней и внутренней поверхностях пробирки размещены измерительный и эталонный электроды с токосъемниками, а также направляющая трубка, расположенная по оси пробирки в ее внутренней полости. Кроме того, датчик содержит камеру, которая вместе с трубками подачи и сброса эталонного газа и полостью датчика образует замкнутою систему. На трубке сброса эталонного газа установлен побудитель циркуляции эталонного газа. Известный датчик способен анализировать на содержание кислорода только газовые смеси.

Известен датчик для определения содержания в расплавленной меди (патент РФ 2062460, публ. 20.06.1996 г.) [2]. Датчик представляет собой графитовый стержень, снабженный упругой пластиной с прикрепленным к ней тензорезистором, нижний конец которой соединен с графитовым стержнем, верхний конец выполнен с возможностью неподвижного закрепления, и на часть боковой поверхности по всей длине графитового стержня нанесено защитное огнеупорное покрытие на основе безуглеродистых материалов. Работа известного датчика [2] основана на принципе: чем больше содержание кислорода в расплаве, тем интенсивнее будет протекать реакция окисления углерода и тем сильнее будет отклонение графитового стержня, изгиб упругой пластины и растягивающие напряжения в тензорезисторе. Датчик [2] характеризуется сложностью и ненадежностью конструкции, необходимостью калибровки и низкой точностью измерения, обусловленной зависимостью от качества и состава графитового стержня.

Известен датчик окисленности металлического расплава (А.с. СССР №830228, публ. 14.01.1981 г.) [3]. Датчик содержит твердый электролит, выполненный в виде пробирки, эталонный электрод, внутренний токосъемник с эталонного электрода, защитный чехол, служащий наружным токосъемником, при этом чехол снабжен контактным кольцом, расположенным в нижней части чехла и выполненным из инертного материала состава, вес.%:

CrO	40-50
RO	20-35
CaO	20-35,

где R - лантаноиды.

Возможности известного датчика [3] ограничены измерением концентрации кислорода только в металлических расплавах.

Заявлен твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах, содержащий выполненный в виде пробирки твердый электролит, эталонный электрод, внутренний токосъемник с эталонного электрода, снабженный контактным кольцом защитный чехол, служащий наружным токосъемником. Датчик отличается тем, что он снабжен дополнительным измерительным электродом с токосъемником, при этом электрод расположен в средней части наружной поверхности твердоэлектролитной пробирки, а защитный чехол имеет сквозные окна для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Снабжение датчика дополнительным измерительным электродом с токосъемником, притом, что электрод расположен в средней части наружной поверхности твердоэлектролитной пробирки, а защитный чехол имеет сквозные окна для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода, приводит к интенсивному газообмену между атмосферой и наружной поверхностью датчика, и на электроде устанавливается кислородный потенциал, соответствующий кислородосодержанию газовой атмосферы над расплавом. Кислородосодержание газовой атмосферы в значительной степени определяет и Кислородосодержание самого расплава. Перед погружением в расплав, датчик прогревается в газовой среде и достигает температуры анализируемого расплава. На эталонном электроде датчика устанавливается равновесный кислородный потенциал, соответствующий парциальному давлению кислорода в эталонном газе, например, воздухе. Между эталонным электродом и расплавом устанавливается разность потенциалов Е1, а между эталонным электродом и дополнительным измерительным электродом возникает разность потенциалов Е2. Измерив значения Е1 и Е2, можно определить как активность кислорода в расплавленном металле, так и кислородосодержание газовой атмосферы над расплавом.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в возможности измерения как окисленности металлического расплава, так и кислородосодержания газовой фазы над расплавом, а также в упрощении конструкции датчика и повышении точности измерения.

Изобретение иллюстрируется рисунком, где изображен заявляемый датчик. Датчик, содержит твердоэлектролитную пробирку 1, эталонный электрод 2, внутренний токосъемник с эталонного электрода - 3, дополнительный измерительный электрод 4, расположенный в средней части наружной поверхности твердоэлектролитной пробирки 1, токосъемник с него - 5, защитный металлический чехол 6, являющийся одновременно наружным токосъемником потенциала анализируемого расплава. Чехол 6 снабжен контактным кольцом 7. Твердоэлектролитная пробирка 1 герметично соединена с защитным чехлом 6 термостойким герметиком 8. Чехол 6 имеет сквозные окна 9 для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода 4. Датчик, погруженный в анализируемый металлический расплав 10, имеет два измерителя напряжения - ИН-1 и ИН-2 для измерения разности потенциалов соответствующих электрохимических цепей, а именно: ИН-1 - для измерения разности потенциалов между токосъемником эталонного электрода 3 и металлическим расплавом 10, а ИН-2 - между токосъемником эталонного электрода 3 и токосъемником измерительного электрода 4. Датчик находится в рабочем режиме в высокотемпературном поле, которое создается анализируемой газовой средой и металлическим расплавом.

Для проведения измерений датчик погружают в анализируемый расплав металла, над которым находится соответствующая газовая атмосфера (защитная, восстановительная, окислительная). Как отмечено выше, в значительной степени кислородосодержание газовой атмосферы определяет и кислородосодержание самого расплава. Т.к. газовая атмосфера и сам расплав находятся при повышенных температурах, то датчик прогревается соответственно до температуры расплава. На эталонном электроде датчика устанавливается равновесный кислородный потенциал, соответствующий парциальному давлению кислорода:

$$\phi \left(э.э.\right)=RT/4F\ln \rho O_2,\left(1\right)$$

где:

φ (э.э.) - потенциал эталонного электрода;

R - газовая постоянная (1,9873 кал/град*моль);

Т - температура расплава в градусах Кельвина;

ρO₂ - парциальное давление кислорода на эталонном электроде, Па.

Кислородный потенциал анализируемого расплава можно выразить уравнением:

$$\varphi \left(a.p.\right)=RT/4F\ln ao,\left(2\right)$$

где:

φ (а.р.) - потенциал анализируемого расплава;

ао - активность кислорода в анализируемом расплаве.

Между эталонным электродом и расплавом устанавливается разность потенциалов:

$$E1=RT/2nFLn\phi \left(э.э.\right)/\phi \left(a.p.\right)=RT/2nFLn\rho O_2/ao,\left(3\right)$$

где:

Е1 - разность потенциалов (Мв);

n - валентность кислорода, равная 2;

F - постоянная Фарадея (96496 К).

Величина (Е1) определяется по уравнению (3) активностью кислорода в анализируемом расплаве и замеряется измерителем напряжения ИН-1.

Между эталонным электродом и измерительным электродом возникает разность потенциалов Е2:

$$E2=RT/2nFLn\phi \left(э.э.\right)/\phi \left(a.p.\right)=RT/2nFLn\rho O_2/\underset{\_}{\rho O_2},\left(4\right)$$

где:

$$\underset{\_}{\rho O_2}$$ - парциальное давление кислорода в анализируемой газовой среде;

Величина (Е2) определяется по уравнению 4 парциальным давлением кислорода в анализируемом газе и измеряется измерителем напряжения ИН-2.

Таким образом, измерив значения Е1 и Е2, можно определить как активность кислорода в расплавленном металле, так и кислородосодержание газовой атмосферы над расплавом. При этом датчик характеризуется упрощенной конструкцией и повышенной точностью измерения.

Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах, содержащий выполненный в виде пробирки твердый электролит, эталонный электрод, внутренний токосъемник с эталонного электрода, снабженный контактным кольцом защитный чехол, служащий наружным токосъемником, отличающийся тем, что датчик снабжен дополнительным измерительным электродом с токосъемником, при этом электрод расположен в средней части наружной поверхности твердоэлектролитной пробирки, а защитный чехол имеет сквозные окна для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода.