Твердоэлектролитный потенциометрический датчик для анализа влажности воздуха и малых концентраций водорода

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях. Датчик содержит три диска из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием двух полостей между ними, каждая из которых имеет капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом, при этом на противоположные поверхности каждого из дисков нанесены по два электрода - наружный и внутренний. Технический результат заключается в высокой точности измерения не только влажности воздуха в газовых смесях. 4 ил.

 

Изобретение относится к аналитической технике, в частности, к датчикам для анализа газовых сред и может быть использовано для измерения влажности воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях.

Известны электрохимические датчики водорода, изготовленные с использованием твердых электролитов, обладающих протонной проводимостью, например, RU 2371713 (публ. 27.10.2009 г.) [1].

Датчик представляет собой твердоэлектролитную электрохимическую ячейку, содержащую суперпротонную мембрану, электрод сравнения на основе полупроводникового оксида свинца со структурой рутила и рабочий электрод. Мембрана состоит из двух слоев: слоя аммонийной соли фосфор-вольфрамовой гетерополикислоты и слоя кремний-вольфрамовой кислоты со стороны электрода сравнения. Рабочий электрод изготовлен на основе войлока, полученного при прессовании платинированных нанотрубок диоксида титана.

Недостатком данного датчика являются:

- сложность изготовления, как материала мембраны, так и рабочего электрода;

- низкая стойкость материала твердого электролита – гетерополисоединений, при повышенных температурах – более 1000С;

- узкий диапазон измерения концентраций водорода (от 0,01 до 5%);

- для каждого датчика требуется индивидуальная калибровка.

При этом данный датчик может быть использован только для измерения водорода и то в узком диапазоне концентраций.

Известен электрохимический датчик для потенциометрического определения влажности воздуха с опорным водородным электродом (K. Katahira, H. Matsumoto, H. Iwahara, K. Koide, T. Iwamoto. «A solid electrolyte sensor with an electrochemically supplied hydrogen standard using proton-conducting oxides»/ Sensor and Actuators B 67 (2000) 189-193) [2]. Данный твердоэлектролитный датчик содержит два диска из твердого электролита с протонной проводимостью с нанесенными на противоположные поверхности каждого из дисков двумя электродами - наружным и внутренним. Оба диска герметично соединены между собой, между дисками имеется полость, а в одном из дисков сделано отверстие для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом. Датчик работает следующим образом. На электроды одного из дисков подается напряжение постоянного тока таким образом, чтобы обеспечить накачку во внутреннюю полость датчика чистого водорода, полученного в результате электролиза влаги. С электродов второго диска снимается разность потенциалов. Величина измеренной разности потенциалов на втором диске будет определяться только влажностью анализируемого воздуха. Теоретически данный датчик позволяет измерять не только влажность воздуха, но и содержание водорода в газовой смеси. Однако на практике, при низкой влажности анализируемого воздуха создать в полости датчика атмосферу чистого водорода, полученного в результате электролиза влаги, проблематично, т.к. для этого потребуется не только высокое напряжение от источника постоянного тока, но и много времени. При этом известно, что, не обеспечив поступление в полость датчика водорода 100% чистоты, обеспечить точность измерения содержания водорода в анализируемом воздухе невозможно.

Наиболее близким по технической сущности является твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения влажности воздуха, известный из RU 2583164, (публ. 10.05.2016 г.) [3]. Данный датчик содержит полость, образованную двумя дисками из твердого электролита, включая диск из протонпроводящего электролита. На противоположных поверхностях каждого из дисков расположено по паре электродов, а капилляр соединяет полость с потоком газа. К электродам одного из дисков прикладывается напряжение постоянного тока, и по величине ЭДС, установившейся на электродах диска из протонпроводящего электролита, рассчитывают влажность анализируемого воздуха. При этом напряжение постоянного тока прикладывается к электродам диска, выполненного из кислородопроводящего твердого электролита, с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки. Датчик является простым в изготовлении и обеспечивает высокую точность измерений влажности газов. Однако измерять содержание водорода в анализируемом газе данный датчик не может, т.к. в качестве эталонного газа в полости датчика находится кислород, а не водород, то есть датчик не может работать, как концентрационная электрохимическая ячейка.

Задача изобретения заключается в создании конструкции датчика для измерения влажности воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях.

Для решения этой задачи предложен твердоэлектролитный потенциометрический датчик, который, как и прототип, содержит диски из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием полости между ними, имеющей капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом, на противоположные поверхности каждого из дисков нанесены по два электрода - наружный и внутренний. Новый датчик отличается тем, что содержит три диска из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием двух полостей между ними, каждая из которых имеет капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом.

Конструкция заявленного датчика позволяет подавать напряжение от одного источника постоянного тока на электроды двух смежных дисков таким образом, чтобы обеспечить последовательную накачку чистого водорода, полученного в результате электролиза влаги, в начале в одну полость датчика, затем – во вторую, а с электродов третьего диска снимать разность потенциалов и по полученному значению ЭДС в соответствии с уравнением Нернста рассчитать содержание водорода или влаги (уравнения 1 и 3) измерять влажность воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях. Таким образом, третий диск из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами, нанесенными на его противоположные поверхности, в заявленном датчике выполняет функцию второго водородного насоса и обеспечивает быстрое создание во второй полости датчика 100% концентрацию водорода, что создает на эталонном электроде потенциометрической ячейки датчика чисто водородную атмосферу, что позволяет датчику работать, как концентрационная электрохимическая ячейка и с высокой точностью измерять не только влажность воздуха, но и малые концентрации водорода в газовых смесях. Это есть новый технический результат заявленного датчика.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен заявленный датчик; на фиг. 2 - зависимость тока датчика, содержащего один водородный насос, и ЭДС от подаваемого напряжения. Влажность воздуха 5%, температура 700оС (пунктиром обозначено расчетное значение ЭДС); на фиг. 3 – зависимость тока предлагаемого датчика (содержащего два водородных насоса) и ЭДС от подаваемого напряжения. Влажность воздуха 5%, температура 700оС (прямой линией обозначено расчетное значение ЭДС); на фиг.4 - зависимость ЭДС предлагаемого датчика от влажности воздуха. Температура 700оС.

Датчик содержит три диска 1, 2, 3 из протонпроводящего твердого электролита, в качестве которого использовались протонные проводники, например CaZr 0,9In 0,1O 3-σ, но могут быть использованы протоники состава La0.95Sr0.05YO3-x или CaTi0.95Sc0.05O3 или BaCe 0,7Zr 0,1Y0,2O3 или CaZr 0,95Sc 0,05YO3. При этом диск 1 является потенциометричесой ячейкой, а диски 2 и 3 образуют водородный насос. На противоположные поверхности каждого из дисков нанесены по два электрода - наружный и внутренний, выполненные из губчатой платины. На диск 1 – электроды 4 и 5, на диск 2 – электроды 6 и 7, на диск 3 - электроды 8 и 9. Таким образом, электроды 4 и 7 являются наружными электродами водородного насоса, а электроды 5 и 6 – его внутренними электродами, а электроды 8 и 9 – электродами потенциометрической ячейки. Диски соединены между собой с образованием двух полостей 10 и 11, каждая из которых имеет капилляр 12 для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом, при этом диски 1, 2, 3 склеены между собой стеклом – герметиком 13. Датчик помещен в термостат, который обеспечивает рабочую температуру 700оС. Анализируемый газ, в данном примере, воздух, омывает датчик. От источника постоянного тока (ИТ) подается напряжение на пары электродов датчика 4, 5, 6 и 7, чтобы оба диска работали в режиме водородного насоса, т.е. на внутренние электроды 5 и 6 дисков 2 и 3 подается минус, а на наружные электроды 4 и 7 - плюс. Величина тока протекающего через верхний и нижний диски контролируются соответственно амперметрами А1 и А2. В режиме измерения, под действием напряжения, приложенного от внешнего источника тока ИТ к электродам 4,5,6,7 водород, образовавшийся в результате диссоциации влаги, находящейся в воздухе, накачивается последовательно из объема анализируемого газа сначала в полость 10, а затем – в полость 11. Учитывая, что в анализируемом газе имеются лишь микроконцентрации водорода, удается добиться в объеме полости 10 содержания водорода в диапазоне от десятых процента до нескольких процентов, а в полости 11 достигается гарантированное содержание водорода в 100%. При превышении давления водорода в полостях 10 и 11 датчика над давлением анализируемого газа избыточный водород за счет капилляра будет стравливаться в анализируемый газ. Таким образом, электрод 8 диска 1 омывается чистым водородом, а наружный электрод 9 омывается анализируемым газом. Вольтметр (V) позволяет измерить величину электродвижущей силы между электродами 8 и 9 и по полученному значению ЭДС рассчитать влажность анализируемого газа.

В режиме измерения, под действием напряжения, приложенного от внешнего источника тока (ИТ) к электродам 4,5,6 и 7 водород из объема анализируемого газа начинает перекачиваться последовательно в полость 10 датчика, а далее в полость 11. Избыточное давление накаченного газа в полостях 10 и 11 сбрасывается в окружающую среду через капилляры 12. Таким образом, в полости 10 будет накапливаться водород, содержание которого значительно превышает его содержание в анализируемом газе, а в полости 11 накапливается чистый водород, который и будет определять величину ЭДС на электродах 8 и 9. Величина ЭДС между электродами 8 и 9 будет определяться парциальным давлением водорода в анализируемом газе в соответствии с уравнением:

E= RT 2F lnK+ RT 2F ln P H2 P H2O P O2 (1)

где Е – ЭДС датчика, т.е. разность потенциалов между электродами 8 и 9 (Мв);

F – постоянная Фарадея (96496 К );

T – температура газа в градусах Кельвина;

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

К – константа равновесия реакции:

Н2 + 0,5О2↔Н2О (2)

РH2 – парциальное давление водорода в полости 11 равное 1;

РH2О – влагосодержание анализируемого газа (воздуха);

РО2 - парциальное давление кислорода в анализируемом газе (воздухе) равное 0,205.

Данный датчик позволяет измерять и малые (≤ 0.01%) концентрации водорода в его смеси с инертным газом. При этом по величине ЭДС между электродами 8 и 9 можно определить концентрацию водорода в соответствии с уравнением Нернста:

E= RT 2F ln P H2(1) P H2(2) (3)

где РН2(1) - парциальное давление водорода в полости 11 равное 1;

РН2(2) - парциальное давление водорода в анализируемом газе.

Таким образом, заявленный датчик позволяет с высокой точностью измерять влажность воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях.

Твердоэлектролитный потенциометрический датчик для анализа влажности воздуха и малых концентраций водорода, содержащий диски из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием полости между ними, имеющей капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом, на противоположные поверхности каждого из дисков нанесены по два электрода - наружный и внутренний, отличающийся тем, что датчик содержит три диска из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием двух полостей между ними, каждая из которых имеет капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в электрохимии, металлургии, энергетике, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода. Датчик содержит несущий элемент, выполненный в виде трубки из оксида алюминия.

Использование: для определения наличия малых концентраций целевых газов. Сущность изобретения заключается в том, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки.

Изобретение относится к промышленной безопасности. Система постоянного контроля концентрации паров углеводородов нефти и нефтепродуктов в воздухе рабочей зоны при проведении огневых и газоопасных работ включает в себя передвижной газоанализатор, блок контроля и управления и блок исполнения радиокоманд.

Изобретение относится к технике газового контроля и может быть использовано для настройки и градуировки газоанализаторов хлористого, фтористого и бромистого водорода, а также в качестве источников газообразных галогеноводородов.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Изобретение относится к способу и устройству для эксплуатации датчика (7), предусмотренного в системе выпуска отработавших газов двигателя (1) внутреннего сгорания для определения выбросов, содержащихся в потоке отработавших газов, в частности, оксидов азота, аммиака, кислорода и/или сажи.

Изобретение относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к способам изготовления устройств распознавания и детектирования компонентов газовых смесей.

Использование: для создание системы управления двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что система управления для двигателя внутреннего сгорания содержит датчик на основе предельного тока, система управления содержит электронный блок управления, выполненный с возможностью: выполнения процесса сканирования с постепенным снижением приложенного к датчику напряжения от первого (V1) напряжения до второго (V2) напряжения; получения критического значения (Ip) выходного тока датчика во время выполнения процесса сканирования из выходных токов датчика, в то время когда к датчику приложено напряжение, входящее в определенный диапазон, причем критическое значение прогнозируется на основе выходного сигнала; и определение концентрации SOx в выхлопных газах на основе этого критического значения и базового значения, это базовое значение является значением предельного тока датчика, при этом значение предельного тока датчика соответствует концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха и малых концентраций водорода в газовых смесях. Датчик содержит три диска из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием двух полостей между ними, каждая из которых имеет капилляр для газообмена между полостью датчика и анализируемым воздухом, при этом на противоположные поверхности каждого из дисков нанесены по два электрода - наружный и внутренний. Технический результат заключается в высокой точности измерения не только влажности воздуха в газовых смесях. 4 ил.

Наверх