Твердоэлектролитный датчик для анализа газов

 

Использование: для определения концентрации водорода и окиси углерода в различных газовых смесях и воздухе. Сущность изобретения: твердоэлектролитный датчик для анализа газов содержит измерительный электрод из платины, слой протонного твердого электролита из замещенного гидросульфата никеля, слой фторпроводящего твердого электролита на основе фторида свинца и электрод сравнения из смеси порошков металлического свинца и фторпроводящего твердого электролита. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к датчикам измерения состава газовых сред, и может быть использовано для определения концентрации водорода и окиси углерода в различных газовых смесях.

Известны твердоэлектролитные датчики газов (водорода, кислорода и др.) с использование протонных твердых электролитов на основе гетерополикислот [1] или фторпроводящих твердых электролитов на основе LaF₃ или PbSnF₄ [2] Однако эти датчики имеют сравнительно невысокое быстродействие и узкий диапазон измеряемых концентраций газов, связанный с малыми токами обмена на границе твердый электролит-электрод.

Наиболее близким к изобретению является твердоэлектролитный датчик водорода [3] содержащий детекторный электрод из платины, слой протонного твердого электролита на основе соли фосфорно-вольфрамовой кислоты и электрод сравнения из смеси диоксида свинца с порошкообразным свинцом.

Недостатками этого датчика являются сравнительно узкий диапазон измеряемых концентраций водорода (100-0,01 об.) и низкое быстродействие (при минимальных концентрациях до нескольких минут).

В предлагаемом твердоэлектролитном датчике, содержащем помещенные в изолирующий корпус протонный твердый электролит, чувствительный электрод из платины и свинецсодержащий электрод сравнения, между слоем твердого электролита и электродом сравнения располагают дополнительно слой фторпроводящего твердого электролита состава 0,92PbF₂ ˙ 0,02SrF₂ ˙ 0,06KF. В качестве протонного твердого электролита используют замещенный гидросульфат никеля состава NiSO₄ ˙ 2H₂O ˙ 1,5 HF.

Электрод сравнения может быть выполнен из смеси металлического свинца и фторпроводящего твердого электролита состава 0,92PbF₂ ˙ 0,02SrF₂ ˙ 0,06KF в объемном соотношении 1:1.

Качественный и количественный состав протонного и фторпроводящего твердых электролитов выбран исходя из максимальной ионной проводимости указанных материалов (порядка 1 ˙ 10^-2 Ом^-1 см^-1). Предложенная комбинация двух твердых электролитов указанного состава увеличивает токи обмена на границах ТЭЛ-электрод, а также снижает поляризационные процессы на границах двух слоев ТЭЛ. Предлагаемый твердоэлектролитный датчик для анализа газов по сравнению с имеющимися аналогами существенно расширяет диапазон измеряемых концентраций водорода, повышает быстродействие, а также расширяет функциональные возможности датчика, позволяя определить содержание не только водорода, но и окиси углерода.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик; на фиг. 2 концентрационные зависимости ЭДС от объемного содержания исследуемого газа.

Датчик содержит электрод 1 сравнения, слой 2 фторпроводящего твердого электролита, слой 3 протонного электролита, помещенные в изолирующую втулку 4, и чувствительный электрод 5 с платиновым контактом 6. Изолирующая втулка размещена в металлическом корпусе 7. Датчик содержит также металлический вкладыш 8 и пробку 9 из изолирующего материала. Выходной прибор подключается к токоотводам 10.

Датчик работает следующим образом.

Представляя собой электрохимическую цепь типа Pt/ТЭЛ(H⁺)(ТЭЛ(F^-)/Pb, датчик имеет начальную разность потенциалов, которая изменяется в зависимости от состава окружающей среды. Компоненты датчика подобраны так, что ЭДС ячейки изменяется пропорционально концентрации измеряемого газа (водорода и окиси углерода). На фиг. 2 представлены концентрационные зависимости ЭДС от состава для следующих газовых смесей: азот-водород (кривая 1), воздух-окись углерода (кривая 2) и воздух-водород (кривая 3).

П р и м е р. В цилиндрическую втулку из оргстекла с внутренним диаметром 10 мм последовательно запрессовывают электрод сравнения, состоящий из смеси порошков металлического свинца и фторпроводящего ТЭЛ состава 0,92PbF₂ ˙ 0,02SrF₂ ˙ 0,06KF в объемном соотношении 1:1, слой фторпроводящего ТЭЛ вышеуказанного состава, слой протонного ТЭЛ состава NiSO₄ ˙ 2H₂O ˙ 1,5HF, чувствительный электрод из смеси губчатой платины и фторпласта в объемном соотношении 1:1. Испытание при комнатной температуре в различных газовых смесях дали следующие результаты. В смесях азот-водород диапазон исследованных концентраций водорода от 100 до 1 ˙ 10^-4 об. быстродействие 5-20 с в интервале от 100 до 0,1 об. и до 1 мин при минимальных концентрациях, изменение ЭДС от содержания водорода на всем участке составляет около 40 мВ на декаду. В смесях воздух-окись углерода диапазон исследуемых концентраций СО от 1 до 0,01 об. быстродействие 20-40 с в интервале от 1 до 0,01 об. и до 2 мин при минимальных концентрациях СО, изменение ЭДС от содержания СО около 60 мВ на декаду во всем интервале. В смесях воздух-водород диапазон концентраций водорода от 100 до 1 ˙ 10^-4 об. быстродействие 5-20 с в диапазоне от 100 до 0,1 об. и до 1 мин при малых концентрациях, изменение ЭДС от содержания водорода нелинейно (что связано с взаимодействием водорода с кислородом воздуха на платиновом электроде) и уменьшается по диапазону от 250 до 15 мВ на декаду.

Таким образом, предлагаемый твердоэлектролитный датчик по сравнению с аналогами имеет более широкий интервал измеряемых концентраций водорода, более высокое быстродействие и дополнительные функциональные возможности в виде измерения концентрации окиси углерода. Изобретение может быть использовано для контроля состава газовых сред в таких областях народного хозяйства, как экология, энергетика, химическая промышленность.

Формула изобретения

1. ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ АНАЛИЗА ГАЗОВ, содержащий помещенные в изолирующий корпус протонный твердый электролит, чувствительный электрод из пластины и электрод сравнения, отличающийся тем, что между слоем протонного твердого электролита и свинецсодержащим электродом сравнения расположен слой фторпроводящего твердого электролита состава 0,92 PbF₂ · 0,02Sr F₂ · 0,06 KF, а в качестве протонного твердого электролита используют замещенный гидросульфат никеля состава NiSO₄ · 2H₂O · 1,5 HF.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что свинецсодержащий электрод сравнения выполнен из смеси металлического свинца и фторпроводящего твердого электролита состава 0,92 PbF₂ · 0,02 SrF₂ · 0,06KF в объемном соотношении 1 : 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.11.2007

Извещение опубликовано: 27.11.2007        БИ: 33/2007