Датчик парциального давления кислорода в газовой смеси

 

Использование: для контроля содержания кислорода в газовой смеси. Сущность изобретения: рабочий элемент выполнен из твердого электролита состава RBa₂Cu₃O_6+δ, где R - редкоземельный элемент, с подсоединенными к нему двумя электродами, расположенными в корпусе. Между рабочим элементом и входным отверстием в корпусе установлена по крайней мере одна перегородка, а перегородка имеет по крайней мере одно отверстие, внутренняя поверхность которого покрыта материалом, служащим поглотителем газа, содержащегося в газовой смеси помимо кислорода и инертного газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к газоаналитической технике для контроля содержания кислорода в газовой смеси, например, при производстве радиоактивных и химически активных металлов и сплавов, в технологии полупроводниковых материалов, при дуговой электросварке, в источниках света и т.д.

Изобретение может быть использовано для контроля качества разделения воздуха на азот и кислород в ректификационных криогенных установках, для контроля степени вакуумирования в изделиях радиоэлектронной промышленности, а также в любых других промышленных и лабораторных установках, где используется атмосфера из смеси инертного газа с кислородом по типу "защитной атмосферы" или вакуум, в которых другие газы содержатся в небольших количествах (до 10%).

Известен детектор газа (патент Великобритании N 2073430, кл. G 01 N 27/28, 1981), содержащий электрохимический сенсор для непрерывного детектирования газа и полый, удлиненный диффузионный пробоотборник, расположенный между сенсором и детектируемым газом. Пробоотборник имеет поры с объемом и глубиной, достаточными для исключения влияния атмосферных условий на детектирование.

Недостатками данного детектора газа являются, как известно, низкая чувствительность, сложность и габаритность его сенсора в случае, если последний выполнен с использованием жидкого электролита, что снижает функциональные возможности детектора и делает его неудобным в эксплуатации. Если сенсор выполнен с использованием твердого электролита, то недостатком детектора газа является возможность его работы только в условиях нагрева до определенного температурного интервала при точности поддержания температуры не хуже ±5^oC (в диапазоне измеряемых значений парциального давления кислорода, атм: ), что делает его неудобным в эксплуатации. В том и другом случаях наличие в детекторе газа пробоотборника не исключает (и не уменьшает) указанных недостатков.

Известен также датчик парциального давления кислорода (Жуковский В.М. Петров А. Н. Нейман А.Я. Вводный курс в электрохимию дефектных кристаллов. Уч. пособие. Свердловск, 1979, с. 106), включающий рабочий элемент в виде герметичной пробирки, выполненной из твердого электролита состава ZrO₂, стабилизированного Y₂O₃, и два платиновых электрода, присоединенные к внешней и внутренней поверхностям пробирки, соответственно. При работе датчика образуется концентрационная цепь типа: , где - парциальное давление кислорода, содержащегося во внешней среде; - парциальное давление кислорода, содержащегося в рабочей газовой смеси, по которой ионы диффундируют в сторону меньшего значения , тогда как электроны (для компенсации заряда) движутся по внешней электрической цепи в обратном направлении. Результатом этого является появление ЭДС, развиваемой на электродах, величина которой после установления равновесия в концентрационной цепи фиксируется измерительным прибором. При этом, если внешней средой является воздух ( 0,21 атм), то ЭДС, развиваемая на платиновых электродах, однозначно определяет парциальное давление кислорода в рабочей газовой смеси как Парциальное давление кислорода в рабочей газовой смеси в свою очередь однозначно определяет содержание кислорода в этой смеси, если известно ее полное давление (Р), и наоборот, измеренное парциальное давление кислорода однозначно определяет полное давление газовой смеси, если заранее известно содержание кислорода в этой смеси (например, в воздухе). При необходимости для указания содержания кислорода в мол. или полного давления газовой смеси в атмосферах достаточно воспользоваться соотношениями Во второй формуле, если указывается полное давление воздуха, то Недостатком известного датчика является возможность его работы только в условиях его подогрева до 500-900^oC при точности поддержания температуры не хуже ±5^oC в диапазоне измеряемых , атм: , что делает датчик неудобным в эксплуатации. Кроме того, известный датчик нельзя использовать в тех случаях, если полное давление рабочей газовой смеси не равно атмосферному, из-за плохой газоплотности и хрупкости твердого электролита, что ограничивает функциональные возможности датчика.

Цель изобретения разработка датчика парциального давления кислорода, работающего без использования нагревающих устройств при температуре окружающей среды (комнатной температуре), а также в условиях, когда полное давление рабочей газовой смеси представляет собой произвольную величину.

Цель достигается в датчике парциального давления кислорода в газовой смеси, содержащем рабочий элемент, выполненный из твердого электролита, с подсоединенными к нему двумя электродами, причем рабочий элемент выполнен из твердого электролита состава RBa₂Cu₃O_6+δ, где R редкоземельный элемент, и помещен в корпус, в котором между рабочим элементом и выходным отверстием установлена по крайней мере одна перегородка, имеющая по крайней мере одно отверстие, внутренняя поверхность которого покрыта материалом, служащим поглотителем газа, содержащегося в газовой смеси помимо кислорода и инертного газа. В выходное отверстие корпуса датчика может быть введена система откачки газовой смеси.

Предлагаемый датчик работает при комнатной температуре, что делает его удобным в эксплуатации, поскольку отпадает потребность в нагревательных элементах и регулирующих устройств к ним. Если исследуемая газовая смесь имеет в рабочем состоянии температуру, отличающуюся от комнатной, то в процессе отбора пробы рабочей газовой смеси, последняя охлаждается или нагревается до комнатной температуры путем теплообмена с окружающим воздухом через стенки пробоотборника и не изменяет рабочую температуру датчика при контакте с ним.

Кроме того, предлагаемый датчик, в отличие от известного, может работать без сообщения его выходного отверстия с внешней средой (датчик полностью помещается в объем с исследуемой газовой смесью). Это делает возможным использование его в тех случаях, когда полное давление исследуемой газовой смеси не равно атмосферному, что расширяет функциональные возможности датчика.

В настоящее время из научно-технической и патентной литературы не известен датчик парциального давления кислорода предлагаемой конструкции.

На чертеже изображен датчик парциального давления кислорода.

Датчик содержит корпус 1. Корпус 1 может быть выполнен из любого газоплотного материала, в частности из пластмассы. Корпус может быть выполнен, например, в форме цилиндра с внутренним диаметром 1-10 мм и длиной 5-50 мм, зависящих от размеров рабочего элемента, т.е. достаточных для его размещения. Внутри корпуса закреплен на подвеске 2 рабочий элемент 3, выполненный из твердого электролита состава RBa₂Cu₃O_6+δ. Рабочий элемент может быть выполнен в виде керамического стержня, пленки, нанесенной на инертную подложку или монокристалла. К рабочему элементу подсоединены два электрода 4, подключенные через проводники, встроенные герметично в стенку корпуса 1, к измерительному прибору. Электроды 4 могут быть выполнены из серебра, золота или платины. Между рабочим элементом 3 и входным отверстием 5, сообщающимся с рабочей газовой смесью через пробоотборник 6, установлена по крайней мере одна перегородка 7, имеющая по крайней мере одно отверстие 8, внутренняя поверхность которого покрыта материалом, служащим поглотителем газа, содержащегося в газовой смеси помимо кислорода и инертного газа. Перегородка 7 может быть выполнена из любого материала, обеспечивающего газоплотность датчика по отношению к потоку газа, не прошедшего через отверстие 8, например из пластмассы. Отверстие, сделанное в перегородке, может быть щелевидным или цилиндрическим. Внутренняя поверхность отверстия покрыта материалом, служащим поглотителем для газа, содержащегося в смеси помимо кислорода и инертного газа. Так, в случае содержания в смеси паров воды поверхность должна быть покрыта, например, СаО или СaSO₄. В случае содержания углекислого или угарного газов цеолитом. Количество перегородок зависит от состава газовой смеси, которая может содержать, например, Н₂O, NO, CO, CO₂, H₂. Наличие или отсутствие указанных компонентов в смеси обуславливает количество используемых перегородок, каждая из которых поглощает одну или несколько составляющих смеси. Количество отверстий в одной перегородке, площадь их поперечного сечения и толщина перегородок определяются исходя из расхода проходящей через отверстия рабочей газовой смеси, равного 1-5 л/ч. При таком расходе обеспечивается необходимая для длительного функционирования датчика очистка рабочей газовой смеси от Н₂O, NO, CO, CO₂, H₂ и других компонентов, отличных от кислорода и инертного газа. В случае, если перепада давлений рабочей газовой смеси и внешней среды недостаточно для обеспечения расхода рабочей газовой смеси через отверстия на уровне 1-5 /л Датчик работает следующим образом. Газовая смесь за счет перепада давлений, естественного (если давление газовой смеси больше атмосферного), либо создаваемого искусственно системой откачки 9, проходит через пробоотборник 6 и, охлаждаясь (нагреваясь) в нем, попадает во входное отверстие корпуса и проходит через перегородки 7. Количество последних обусловлено составом смеси. Пройдя через перегородки, газовая смесь очищается от H₂O, NO, CO, CO₂, H₂ и других газов, содержащихся в смеси помимо кислорода и инертного газа. Далее газ попадает в пространство, где расположен рабочий элемент 3, выполненный из твердого электролита состава RBa₂Cu₃O_6+δ. За небольшой промежуток времени (10-15 мин) между твердым электролитом и газовой смесью устанавливается равновесие по кислороду, в результате чего сопротивление электролита, измеряемое с помощью электродов 4 и измерительного прибора, начинает однозначно соответствовать значению парциального давления кислорода в газовой смеси. Для количественного определения значения парциального давления кислорода в газовой смеси строится градуировочный график зависимости К_тв.эл . При необходимости указания содержания кислорода в мол. или полного давления рабочей газовой смеси в атмосферах могут быть использованы зависимости: Точность измерения парциального давления кислорода предлагаемым датчиком составляет, в зависимости от интервала, измеряемого 1-10% и находится на уровне точности измерения известными датчиками.

Таким образом, предлагаемый датчик обладает более широкими функциональными возможностями за счет использования его в тех случаях, когда полное давление рабочей газовой смеси не равно атмосферному, а также удобством при эксплуатации за счет работы датчика при температуре окружающей среды (комнатной температуре).

Формула изобретения

1. Датчик парциального давления кислорода в газовой смеси, содержащий рабочий элемент, выполненный из твердого электролита с подсоединенными к нему двумя электродами, находящийся в корпусе, в котором между рабочим элементом и входным отверстием установлена по крайней мере одна перегородка, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен из твердого электролита состава RBa₂Cu₃O_6+δ, где d коэффициент нестехиометрии, R редкоземельный элемент, а перегородка имеет по крайней мере одно отверстие, внутренняя поверхность которого покрыта материалом, служащим поглотителем газа, содержащегося в газовой смеси помимо кислорода и инертного газа.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в выходное отверстие корпуса введена система откачки газовой смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1