Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды

Использование: для определения концентрации компонента газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала, и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику напряжения. Технический результат обеспечение возможности повышения эффективности измерений. 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к компонентам медицинской техники, в частности к датчикам определения концентрации компонента газовой среды, основанным на использовании принципа действия электрода Кларка. Чувствительные элементы используются для определения парциального давления компонентов растворенных в воздушных смесях или иных газообразных средах. Однако, сфера использования элемента не ограничивается исключительно применением в медицинской технике.

Чувствительный элемент может найти применение в различных отраслях промышленности для решения задач по определению содержания компонента газовой среды.

Известно применение гальванических чувствительных элементов для определения концентрации химического элемента или соединения в газовой среде. Известны, например, устройства для измерения кислорода, созданные на основе гальванической пары, содержащие в своем составе катод с анодом, раствор кислоты (или щелочи) служащий электролитом и селективную мембрану, пропускающую кислород и отделяющую электрохимическую ячейку от газовой среды, для которой производят измерение.

Принцип действия таких устройств заключается во вступлении в реакцию кислорода на поверхности катода с образованием оксидного соединения, растворимого в кислой или щелочной среде.

Количество растворенного оксида пропорционально концентрации кислорода в исследуемой газовой среде. Показатели электрохимической ячейки снимают амперметром, вычисляя, впоследствии, искомую величину. Гальванические датчики, в основе которых лежит использование указанного метода наряду с рядом преимуществ, обладают и существенными недостатками, среди которых особенно выражены относительно невысокий срок службы, связанный с утратой электролитом способности растворять оксид материала катода со временем и высокая минимальная инерционность системы, построенной на основе гальванического элемента, выражающаяся в увеличении времени отклика и, соответственно, невозможности своевременного мониторинга концентрации компонента среды. Данный недостаток особенно проявляется в ситуациях, при которых концентрация компонента газовой среды может меняться в течение коротких промежутков времени.

Иным механизмом функционирования обладают электрохимические чувствительные элементы, применяющиеся для полярографического метода определения компонента газовой среды. Полярографический анализ основан на возможности электрохимического восстановления или окисления нейтральных молекул анализируемого компонента газовой смеси на поверхности рабочего (первого) электрода. Для каждого вида анализируемого компонента газовой смеси необходим определенный потенциал электрода. С точки зрения механики процесса, реакция, происходящая на электроде, состоит из нескольких стадий: диффузия молекул анализируемого компонента газовой смеси через мембрану в окружающий электрод электролит, подвод частиц из объема электролита к поверхности электрода, электрохимическое превращение молекул анализируемого компонента газовой смеси и отвод продуктов реакции в раствор электролита. Определение потенциала электрода производят посредством электрода (второго) сравнения, взаимодействующего с первым электродом через раствор электролита путем приложения внешнего поляризующего напряжения. Селективная мембрана, как и в случае с гальваническим элементом, отделяет исследуемую газовую среду от внутреннего объема ячейки. В общем случае электрод, в котором применен полярографический метод анализа концентрации компонента среды называют электродом Кларка.

Чувствительный элемент, функционирующий на основе указанных принципов, отвечает требованиям, предъявляемым к устройствам для определения компонента газовой среды, в частном случае - кислорода, в медицине.

Из уровня техники известны различные конструктивные реализации чувствительных элементов на основе электрода Кларка. Так, известно устройство по патенту США на изобретение №5,030,663 «Polarographicoxygensensor (Полярографический датчик кислорода)» (заявка №403,832 от 05.09.1989, заявитель CameronJ. Koch, МПК G01N 27/404). Устройство по указанному патенту представляет собой полярографический датчик, состоящий из катодного и анодного узлов, среды электролита и селективной мембраны. Катодный узел содержит удлиненный корпус с продольным отверстием, проволоку из благородных металлов, концы которой выступают из указанного отверстия, указанная проволока запаяна в стекло в месте выступа из отверстия. Анод имеет трубчатую форму, из которой выступает катодный узел. Мембрана выполнена из инертного материала, который является проницаемым для газа и непроницаемым для водяных паров и газообразных растворенных примесей. Изделие по указанному патенту обладает рядом недостатков. В частности, использование жидкого электролита сокращает срок службы датчика, поскольку невозможно исключить испарение электролита при эксплуатации устройства.

Решить проблему испарения электролита позволяет применение полутвердых и твердых химических соединений. Так, в патенте США на изобретение №4975175 «Miniaturized oxygen electrode and miniaturized biosensor and production process thereof (Уменьшенный кислородный электрод, уменьшенный биосенсор и способ их производства)» (заявка №07366365 от 27.03.1987, заявители Isao Karube, Fujitsu Ltd., МПК G01N 27/404) раскрыто техническое решение, относящееся к датчикам кислорода на основе электрода Кларка, содержащее, по меньшей мере, одно углубление, для размещения среды электролита, электроды - катод и анод, размещенные в нижней части углубления, взаимодействующие с электролитом. Электролит, твердый или полутвердый, пористый, который заполняет собой указанное углубление корпуса и расположенную поверх электролита газопроницаемую мембрану. Указанное техническое решение обладает следующими недостатками: Устройство предназначено для измерения содержания кислорода в жидких средах, является технологически сложным в производстве, имеет сложную конструкцию, с возможностью производства по технологии изготовления микроэлектронных элементов. Кроме того, устройство предназначено для разовых измерений или одноразовых сенсоров, а не для длительных измерений в реальном времени (сутки и более) и обладает низким быстродействием.

Наиболее близким техническим решением является устройство по патенту РФ на изобретение №2614348 «Полярографический датчик кислорода» (заявка №2015148368 от 10.11.2015, заявитель АО НПО «НЭМП», МПК G01N 27/48; G01N 27/404). Указанный датчик кислорода содержит корпус с отверстием в верхней торцевой части, выполненный из оргстекла, заполненный электролитом. Внутри корпуса в электролите установлены катод, выполненный из платиновой проволоки, и анод, в качестве которого использована серебряная проволока, покрытая хлористым серебром. Катод отделяется от анода за счет его размещения внутри изолирующего элемента, выполненного из оргстекла. При этом торцевая поверхность катода конформна к выполненной округлой торцевой поверхности изолирующего элемента, что обеспечивает плотное прилегание опорного слоя комбинированной мембраны к катоду. На боковой поверхности изолирующего элемента устанавливается анод. Отверстие в корпусе закрыто газопроницаемой комбинированной мембраной, отделяющей электрохимическую систему от исследуемой среды и предохраняющей электроды от загрязнения, состоящей из опорного слоя, прилегающего к катоду, и селективного слоя, контактирующего с водной средой. Устройство обеспечивает точное измерение концентрации кислорода в жидкостях, но, вместе с тем, обладает существенными недостатками. В общем случае, корпус заполняется жидким электролитом, что отрицательно влияет на срок действия устройства, поскольку жидкость испаряется через элементы фиксации мембраны. В дополнение, устройство предназначено для измерения в жидких средах и обладает низким быстродействием.

Предлагаемое техническое решение устраняет перечисленные недостатки аналогов и позволяет решить техническую проблему, заключающуюся в создании устройства для измерения содержания компонента в газовой среде, позволяющего повысить эффективность измерений, посредством снижения времени отклика чувствительного элемента, упростить мониторинг измерения компонента в газовых смесях посредством увеличения времени эксплуатации, уменьшить геометрические размеры элемента, сохранив, при этом высокую технологичность устройства, а также расширить диапазон температур измеряемых газовых смесей.

Техническая проблема преодолевается предложенным решением следующим образом. Чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды, содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, при этом первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала, и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику внешнего напряжения поляризации.

В первом частном случае выполнения чувствительный элемент отличается тем, что определяемым компонентом газовой среды является кислород.

Иной частный случай выполнения предполагает коаксиальное взаимное размещение первого и второго электрода.

Третий частный случай выполнения характеризуется тем, что перегородка, проницаемая для кислорода выполнена в виде мембраны.

В следующем частном случае выполнения чувствительный элемент дополнительно характеризуется тем, что камера снабжена средствами фиксации мембраны по периметру.

Уточнением указанного частного случая, является выполнение мембраны чувствительного элемента из полимерного материала.

В развитие указанного уточнения частного случая, чувствительный элемент для определения содержания компонента газовой среды дополнительно характеризуется тем, что мембрана выполнена из полимерного материала.

Целесообразно для подключения к измерительным аппаратам (внешним устройствам) снабдить электроды чувствительного элемента выходами.

Внешним устройством, как указано в следующем частном случае, выступает модуль обработки сигнала, с которым соединены выходы электродов.

В очередном частном случае, техническая проблема дополнительно решается тем, что первый электрод чувствительного элемента выполнен в форме стержня.

Целесообразно размещение первого электрода таким образом, что достигают, по существу, прилегание электрода к перегородке через тонкий слой электролита, толщиной, предпочтительно, менее 0,1 мм. В совокупности с предыдущим частным случаем выполнения, местом контакта первого электрода с поверхностью перегородки является верхний торец стержня электрода.

Уточнением частного случая, характеризующего форму выполнения первого электрода, является выполнение первого электрода чувствительного элемента из платины или из сплава, с содержанием платины не менее масс. 70%

Иным частным случаем реализации, предусмотрено выполнение второго электрода чувствительного элемента по форме цилиндрической поверхности.

Первым уточнением указанного частного случая является выполнение второго электрода чувствительного элемента из серебра.

Вторым уточнением указанного частного случая является выполнение второго электрода чувствительного элемента из сплава, с содержанием серебра не менее масс. 70%

Развитием указанных частных случаев, характеризующих форму и материал второго электрода чувствительного элемента, является выполнение второго электрода в форме цилиндра, в котором коаксиально его продольной оси выполнено отверстие для первого электрода.

Иным частным случаем реализации технического решения является использование в качестве материала для выполнения диэлектрической оболочки первого электрода чувствительного элемента диэлектрического материала, непроницаемого для вещества электролита.

Следующим частным случаем выполнения технического решения является такое взаимное расположение первого и второго электродов чувствительного элемента, что второй электрод удален от первого электрода на расстояние равное, по меньшей мере, толщине диэлектрической оболочки.

Применение камеры для размещения в ее внутреннем объеме элементов устройства позволяет исключить нежелательное взаимодействие компонентов электрохимической ячейки с окружающей средой. Камера служит, помимо прочего, емкостью для удержания электролита и предотвращения его испарения. Камера, в соответствии с частным случаем, может быть выполнена в виде корпуса из электрохимически инертного, по отношению к компонентам ячейки, материала, обладающего физическими свойствами, достаточными для сохранения конструкционной прочности чувствительного элемента в целом. Форма камеры для электрохимической ячейки должна иметь такой внутренний объем, который был бы достаточен для размещения в нем пары электродов и электролита в наполнителе, при этом, однако, камера не должна иметь объем много больший, чем совокупные измерения компонентов электрохимической ячейки. Также, в соответствии с иным частным случаем, камера может быть снабжена средствами фиксации перегородки. Для целей настоящего изобретения, камера снабжена отверстием, выполненным, предпочтительно в ее верхней части. По существу, то, каким образом будет выполнено отверстие, не оказывает влияния на решение технической проблемы. Главным образом, должно быть осуществлено сообщение внутреннего объема камеры с, в частности, воздушным трактом, через который проходит поток газа, содержащего компонент среды, содержание которого определяют посредством настоящего изобретения.

Перегородка, которой снабжена камера элемента, может быть установлена на одной или вместо одной из ее поверхностей. После установки, указанная перегородка должна, с одной стороны, непосредственно контактировать с исследуемой газовой средой, а с другой - с внутренним объемом камеры. В качестве перегородки может быть использовано тело относительно малой толщины, позволяющее проходить сквозь него компоненту газовой среды, содержание которого измеряют при помощи указанного устройства. Вместе с тем, перегородка должна обеспечивать герметичность внутреннего объема камеры по отношению к остальным компонентам среды, измерение содержания которых не является задачей настоящего технического решения. В одном из частных случаев выполнения, раскрыта конструкция устройства, в котором перегородка имеет форму мембраны. Применение мембранной конструкции позволяет использовать перегородку минимальной толщины, выполняющую свои функции, вместе с тем, позволяющую обеспечить минимальные временные значения для прохождения сквозь материал перегородки компонента газовой среды. Как следует из частного случая, предпочтительным материалом для мембраны или перегородки может быть фторопласт.

Применение вязкого и гигроскопичного электролита, снижает испарение вещества электролита, а наличие пористого материала поверх электрода позволяет удерживать электролит в области реакции, что в комбинации значительно повышает срок эксплуатации устройства и позволяет использовать его в любом положении в пространстве. В одном из частных случаев исполнения в качестве пористого материала применяют хлопчатобумажную нить. Высокая гигроскопичность материала обеспечивает полную пропитку электролитом.

В качестве электролита, как описано в частном случае, применяют раствор KCl с добавлением минимального количества KOH. Кроме того, в указанное вещество электролита, в соответствии с иным частным случаем выполнения, добавляют в качестве загустителя глицерин, применение которого, в совокупности с пропиткой электролитом пористого материала, позволяет достичь увеличения срока службы изделия, построенного на принципах, раскрытых в описании настоящего технического решения.

Компоненты, находящиеся во внутреннем объеме камеры, совместно с описанным выше электролитом в пористой матрице, образуют электрохимическую ячейку. Другими компонентами ячейки являются рабочий электрод и электрод сравнения, описанные в общем случае как первый и второй электроды, соответственно. Электроды, размещенные внутри камеры, взаимодействуют между собой через вещество электролита. При наличии в контролируемой газовой среде компонента газовой среды, содержание которого определяют, его молекулы достигают рабочего электрода, на поверхности которого происходит реакция восстановления, вследствие которой возникает ток через электрохимический элемент. Сила тока в цепи линейно зависит от содержания (парциального давления) определяемого компонента в контролируемой среде.

Рабочий электрод, заключенный в диэлектрическую оболочку, обладает чувствительностью по отношению к тому компоненту среды, содержание которого следует определить. Кроме того, рабочий электрод выступает в качестве катализатора для реакции восстановления, протекающей на его поверхности. Функционирующий рабочий электрод должен быть выполнен с возможностью соединения со средствами усиления сигнала с целью создания условия протекания реакции на поверхности электрода. Величина электродного потенциала задается в зависимости от определяемого компонента среды и материала рабочего электрода. В свою очередь, материал рабочего электрода подбирают также исходя из определяемого компонента. На первом электроде протекает процесс восстановления искомого компонента газовой среды до продукта реакции.

Вторым электродом, участвующим в электрохимическом процессе является электрод сравнения, функционирующий как неполяризующий электрод, сохраняющий неизменный потенциал (или претерпевающий незначительные изменения потенциала) при прохождении тока малой плотности через электрохимическую ячейку. Соответственно, величина площади поверхности указанного электрода значительно больше величины площади поверхности первого (рабочего) электрода. Таким образом, практически все приложенное внешнее напряжение затрачивается на изменение потенциала рабочего электрода.

Функциональная площадь поверхности электрода сравнения, по существу находится в следующей зависимости от площади поверхности рабочего электрода:

где - внутренняя площадь поверхности полого электрода сравнения (второго электрода), а - площадь поверхности рабочего электрода. Обоснование указанной зависимости вытекает из функциональных особенностей второго электрода: его потенциал не должен существенно меняться при прохождении через него тока малой плотности. В соответствии с частным случаем реализации, материалом для электрода сравнения выбрано серебро, покрытое малорастворимой солью серебра, преимущественно, хлоридом. Указанная конструкция и выбор материала позволяют создать электрод сравнения со стабильным электродным потенциалом, что необходимо для измерения изменения тока возникающего на рабочем электроде, и, конечном счете, для решения указанной технической проблемы. Кроме прочего, вместо чистого серебра, в качестве основного материала может быть применен сплав с содержанием серебра не менее 70% масс. Иным конструктивным решением в рамках общего случая настоящего изобретения является использование серебряного электрода сравнения в форме проволоки, навитой на диэлектрическую оболочку рабочего электрода внавал, причем величина площади поверхности такого электрода должна удовлетворять неравенству (1). На электрод такой конструкции может быть навит, в свою очередь, пористый материал, описанный выше.

Предпочтительным компонентом газовой среды, содержание которого измеряют с помощью указанного чувствительного элемента, является кислород. В случае с кислородом, материалы компонентов чувствительного элемента подбирают таким образом, чтобы выбранный материал позволял решать поставленную техническую проблему. Так, материал перегородки должен обеспечивать проникновение кислорода из анализируемой среды во внутреннее пространство камеры. Доступ кислорода обеспечивается путем диффузии молекул кислорода через материал перегородки. Материал рабочего электрода выбран таким образом, что на электроде обеспечивается протекание реакции восстановления для кислорода:

Описанная выше реакция происходит исключительно в зоне контакта электролита и первого электрода. Размещение первого электрода в диэлектрической оболочке осуществляют таким образом, что часть первого электрода, находящаяся ближе всего к плоскости перегородки, остается не покрытой слоем диэлектрического материала, что и обеспечивает контакт первого электрода с веществом электролитом. Электрод сравнения и вещество электролит чувствительного элемента могут иметь конструкцию и обладать свойствами, описанными в общем случае. Вместе с тем, устройство может быть модифицировано для определения таких газов как SO2, СО или иных кислородсодержащих. В частности, за счет применения селективной перегородки, чувствительной по отношению к указанным соединениям.

Коаксиальное расположение электродов, при котором второй электрод размещается снаружи первого, позволяет обеспечить равномерное распределение продуктов реакции на поверхности первого электрода в растворе электролита и дальнейшее взаимодействие с материалом электрода сравнения. Такое расположение конструктивных элементов также позволяет обеспечить стабильность параметров электрического тока, возникающего в электрохимической ячейке и, тем самым, повысить точность измерений.

Каждый электрод снабжен выходами для подключения, например, к устройству обработки сигнала для определения разности потенциалов и вычисления на ее основе некоторой искомой величины, как правило, парциального давления или концентрации определяемого компонента газовой среды, с учетом зависимости его парциального давления и концентрации от влажности и общего атмосферного давления.

Прилегание первого электрода к мембране позволяет сократить время отклика чувствительного элемента за счет сокращения диффузионного расстояния для молекул компонента газовой среды.

Платиновый рабочий электрод создает необходимые условия для реакции восстановления благодаря высоким каталитическим свойствам платины. Допускается применение в качестве материала для рабочего электрода сплава платины с массовой долей не менее 70%. Приведенная величина не оказывает значительного негативного влияния на электрохимические свойства материала рабочего электрода.

С целью сокращения геометрических размеров чувствительного элемента при сохранении зависимости площадей поверхностей электродов, указанной в формуле (1), электрод сравнения, в соответствии с одним из частных случаев выполнения, может иметь форму цилиндра, т.е. тела, имеющего боковую цилиндрическую поверхность и плоские параллельные торцевые поверхности с отверстиями для рабочего электрода в диэлектрической оболочке. Большая площадь внутренней поверхности позволяет, помимо прочего, улавливать значительное количество продуктов реакции, образованных на поверхности рабочего электрода при восстановлении на нем компонента газовой среды.

Стекло является материалом с выраженными диэлектрическими свойствами. Для целей настоящего изобретения, необходимо ограничить контакт электролита с поверхностью рабочего электрода, что и достигается применением диэлектрической оболочки. Площадь контакта поверхности первого электрода с электролитом, предпочтительно находится на кратчайшем расстоянии по отношению к плоскости перегородки, уменьшая, тем самым время отклика элемента за счет сокращения дистанции, преодолеваемой компонентом газовой среды, растворенным в ней.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими материалами:

Фиг. 1 - радиальный разрез чувствительного элемента, вариант выполнения 1

Фиг. 2 - торцевое сечение чувствительного элемента иной конструкции

Фиг. 3 - радиальный разрез чувствительного элемента А-А;

Фиг. 4 - радиальный разрез чувствительного элемента, вариант выполнения 2

Расшифровка компонентов, обозначенных цифрами на фигурах:

1. корпус чувствительного элемента;

2. перегородка, проницаемая для измеряемого компонента газовой среды;

3. пористый наполнитель с веществом электролита;

4. электрод сравнения;

5. рабочий электрод;

6. диэлектрическая оболочка рабочего электрода;

7. выход рабочего электрода;

8. выход электрода сравнения.

В основе предлагаемого чувствительного элемента лежит принцип работы электрода Кларка, раскрытый в патенте US 2,913,386. Техническое решение содержит диэлектрический цилиндрический корпус 1, снабженный мембраной 2, установленной на его верхней грани и снабженной средствами фиксации (не показаны). Во внутреннем пространстве корпуса размещена электрохимическая ячейка, состоящая из платинового рабочего электрода 5 в форме стержня, запаянного в стеклянную трубку 6 так, что верхняя торцевая поверхность электрода конформна к торцевой поверхности стеклянной трубки. Коаксиально рабочему электроду размещен электрод сравнения 4, выполненный в форме цилиндра с отверстиями в верхней и нижней гранях для рабочего электрода. Электрод сравнения выполнен из сплава с содержанием серебра 70% масс, и покрыт слоем хлорида алюминия. Пара электродов помещена в наполнитель из распушенной хлопчатобумажной нити 3, пропитанной веществом электролита. В качестве электролита использован насыщенный раствор KCl, с добавлением загустителя на основе глицерина. Рабочий электрод и электрод сравнения выполнены с возможностью подключения к усилителю сигнала и источнику напряжения, соответственно, посредством выходов 7 и 8.

Иной вариант выполнения чувствительного элемента в соответствии с настоящим техническим решением (Фиг. 2, 3) характеризуется выполнением корпуса 1 устройства уплощенной цилиндрической формы, эластичной мембраной 2, размещенной на верхней грани корпуса 1, которая чувствительна по отношению к кислороду. Рабочий электрод 5, выполненный из сплава с содержанием платины не 70% масс, размещен внутри корпуса 1 устройства на его осевой линии, коаксиальной рабочему электроду размещен электрод сравнения 4 тороидальной формы, выполненный из серебра и покрытый слоем AlCl. Указанные электроды отгорожены друг от друга слоем диэлектрического материала 6, выполненного из полимерного материала. Внутренний объем корпуса 1 заполнен электролитом, находящимся в пористом наполнителе 3. Рабочий и сравнительный электрод снабжены выходами, по аналогии с первым примером выполнения.

Кроме того, возможно выполнение устройства с размещением пористого наполнителя с электролитом, расположенного следующим образом (Фиг. 4): на внешнюю поверхность электрода сравнения 4, выполненного в форме металлической проволоки, в качестве пористого наполнителя 3 навита хлопчатобумажная нить, пропитанная раствором электролита. Вместе с тем, электролит, вследствие нахождения в жидком агрегатном состоянии, частично заполняет собой внутреннее пространство корпуса, что приводит к появлению тонкого слоя электролита между верхней торцевой поверхностью рабочего электрода и внутренней поверхностью селективной перегородки.

Приведенные на эскизах реализации устройства не являются исчерпывающими, но отражают предпочтительные варианты исполнения. В динамике, устройство работает следующим образом.

Молекулы растворенного кислорода в измеряемой газовой среде поступающей из, например, при осуществлении дыхательного цикла пациентом по воздушным каналам, в результате процесса диффузии через слой материала перегородки (в настоящих примерах - фторопластовой мембраны) восстанавливаются на поверхности рабочего электрода до молекул воды. Протекание химической реакции обеспечивается двумя основными факторами: материалом рабочего электрода, в случае настоящего примера реализации изобретения - платиной, и напряжением поляризации, приложенным к рабочему электроду, позволяющего создать стабильный электродный потенциал в районе 0,7-0,85 В. В результате реакции на поверхности электрода, высвободившиеся в ее процессе свободные электроны поступают в рабочий электрод, вызывая изменение его потенциала. Указанный процесс приводит к возникновению тока в цепи, включающей рабочий электрод, электрод сравнения и электролит, содержащийся в пористой матрице. Значение тока, возникающего в цепи, пропорционально концентрации искомого компонента газовой среды.

Заявляемый чувствительный элемент может быть изготовлен в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.

1. Чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом, и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, при этом первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику напряжения поляризации.

2. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что определяемым компонентом газовой среды является кислород.

3. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй электроды расположены коаксиально.

4. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 2, отличающийся тем, что перегородка, проницаемая для кислорода, выполнена в виде мембраны.

5. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что камера снабжена средствами фиксации мембраны по периметру.

6. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что мембрана выполнена из полимерного материала.

7. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 6, отличающийся тем, что мембрана выполнена из фторсодержащего полимера.

8. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что электроды снабжены выходами.

9. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 8, отличающийся тем, что выходы электродов выполнены с возможностью электрического соединения с внешними устройствами.

10. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 9, отличающийся тем, что выходы электродов соединены с модулем обработки сигнала.

11. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что первый электрод прилегает к мембране через слой электролита.

12. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 11, отличающийся тем, что толщина слоя электролита составляет менее 0,5 мм.

13. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что электрод выполнен в форме стержня.

14. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 13, отличающийся тем, что первый электрод выполнен из платины.

15. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 13, отличающийся тем, что первый электрод выполнен из сплава, с содержанием платины не менее 70 мас.%.

16. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что второй электрод имеет форму цилиндрической поверхности.

17. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 16, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из серебра.

18. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 16, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из сплава, с содержанием серебра не менее 70 мас.%.

19. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по пп. 16, 17, 18, отличающийся тем, что второй электрод имеет форму цилиндра, в котором коаксиально его продольной оси выполнено отверстие для первого электрода.

20. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая оболочка выполнена из диэлектрического материала, непроницаемого для электролита.

21. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что второй электрод удален от первого электрода на расстояние, равное, по меньшей мере, толщине диэлектрической оболочки.



 

Похожие патенты:

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в газовых средах в широком интервале температур и давлений.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению. Датчик кислорода электрохимический (1) установлен в реакционной камере (3).

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.

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.

Изобретение может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений.

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.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения кислородосодержания и влажности газов. Способ измерения кислородосодержания и влажности газа.

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.

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).

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.

Использование: для определения концентрации компонента газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала, и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику напряжения. Технический результат обеспечение возможности повышения эффективности измерений. 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх