Потенциометрический датчик концентрации кислорода

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. Несущий элемент с помощью стеклогерметика герметично соединен с чувствительным элементом, выполненным в виде диска, на противоположные стороны которого нанесены порошкообразные электроды. При этом диск свободной от электрода поверхностью присоединен к торцевой поверхности трубки при помощи кольца из композиционного материала, содержащего полимерное связующее и измельченный стеклогерметик в массовом соотношении от 1:1 до 1:5, а несущий элемент, чувствительный элемент и стеклогерметик выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Изобретение направлено на повышение надежности датчика и упрощение его сборки. 1 ил.

 

Изобретение относится к аналитическим средствам для определения содержания кислорода в жидких и газовых средах с использованием твердоэлектролитной ячейки и может быть использовано в электрохимии, металлургии, энергетике, автомобилестроении и других отраслях для определения содержания кислорода.

Известен зонд для измерения концентрации кислорода (RU 2107906, кл. G01N 27/409, публ. 27.03.1998) [1]. Зонд предназначен для определения концентрации кислорода в стеклопроизводстве, имеет цилиндрический корпус, закрытый с того конца, который производит измерение, а также трубку из оксида алюминия, закрытую снизу наконечником, выполненным из стабилизированной двуокиси циркония, представляющей собой твердый электролит, через который легко проходят ионы кислорода.

Наконечник из стабилизированной двуокиси циркония, являющийся керамическим чувствительным элементом зонда, имеет форму колпачка с заплечиками, посредством которых он смонтирован в корпусе. Чувствительный элемент прикреплен к трубке посредством стеклокерамики, представляющей собой ситалл, содержащей оксид кремния, оксид алюминия, оксид бора, пероксида цинка, оксид циркония, оксид олова, оксид кальция, оксид натрия, оксид калия, с образованием между наконечником и трубкой непористой герметической манжеты.

Герметизация между трубкой из оксида алюминия и твердоэлектролитной ячейкой в виде наконечника из двуокиси циркония обеспечивается за счет стеклокерамического материала, который подбирают таким образом, чтобы его коэффициент теплового расширения занимал промежуточное положение между коэффициентом двуокиси циркония и оксида алюминия. Таким образом, трубка для присоединения наконечника, собственно наконечник из стабилизированной двуокиси циркония, и соединяющий их ситалл выполнены из материалов с различным коэффициентом теплового расширения (ТКЛР).

Измерительные электроды выполнены из платиновой проволоки, причем внутренний электрод прикреплен к наконечнику из стабилизированной двуокиси циркония посредством цементирующей платиновой пасты из платиновой суспензии в вязкой органической среде. При изготовлении зонда в результате нагревания пасты органическая среда испаряется, и электрод оказывается зацементированным в наконечнике. Второй электрод соединен с внешней поверхностью наконечника.

Несоответствие коэффициента теплового термического расширения между несущей основой, электролитом и герметиком в конструкции данного зонда совместно с внутренней хрупкостью стекол может привести к развитию трещин в герметике во время термического цикла. Наконечник, имеющий форму колпачка с заплечиками, посредством которых он смонтирован в корпусе, приводит к механическим напряжениям в керамике твердоэлектролитной ячейки, что снижает надежность работы зонда.

Наиболее близким к заявляемому решению является чувствительный твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах (RU 2298176, публ. 27.04.2007) [2]. В этом датчике металлический корпус, керамический чувствительный элемент и соединяющий их стеклогерметик выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения.

Чувствительный элемент выполнен из стабилизированного оксида циркония или гафния, размещен в металлическом корпусе, изготовленном из ферритно-мартенситной стали, причем чувствительный элемент размещен в корпусе герметично посредством стеклокерамики, представляющей собой ситалл, содержащей оксид кремния, оксид алюминия, оксид бора, пероксид цинка, оксид циркония, оксид олова, оксид кальция, оксид натрия, оксид калия. При этом датчик содержит электрод сравнения, а в качестве измерительного электрода на внешнюю часть керамического чувствительного элемента нанесено двухслойное токопроводящее покрытие, первый слой которого состоит из смеси порошка благородного металла и диоксида циркония, второй - из порошка благородного металла.

Данный датчик изготавливают следующим образом. Шликерным литьем или прессованием изготавливают керамический чувствительный элемент, который герметично соединяют с металлическим корпусом. Внутрь чувствительного элемента помещают электрод сравнения и нижнюю часть центрального электрода, и к свободной части корпуса приваривают металлическую втулку. Для герметичного соединения чувствительного элемента с корпусом, ситалл в виде порошка засыпают в кольцевой зазор между чувствительным элементом и корпусом, полученный узел нагревают воздухом в печи до температуры 900-930°C, после чего охлаждают в печи, затем извлекают и в полость чувствительного элемента засыпают электрод сравнения, устанавливают пробку из оксида металла и нижнюю часть центрального электрода в керамической изоляции.

Через втулку пропускают верхнюю часть центрального электрода и выводят его свободные концы за пределы габаритов втулки. Кольцевой зазор между наружной поверхностью верхней части центрального электрода и внутренней поверхностью втулки заполняют диэлектрическим материалом. Узел, состоящий из верхней части центрального электрода, диэлектрического материала, металлической втулки, нагревают в печи до температуры 900-930°C и производят выдержку для обеспечения его равномерного прогревания и плавления ситалла, обеспечивая этим механическую прочность и вакуумную плотность соединения диэлектрического материала с верхней частью центрального электрода и втулкой.

Затем узел охлаждают вместе с печью, извлекают из печи и осуществляют электрический контакт свободных концов нижней части центрального электрода с верхней частью центрального электрода, к корпусу приваривают втулку.

В данном датчике, металлический корпус с приваренной к нему втулкой может подвергаться коррозии, в первую очередь, в месте сварных швов, вследствие этого может изменяться ТКЛР используемых материалов, что нивелирует достоинства датчика, состоящие в надежности его работы при термоциклировании. Кроме того, технология изготовления данного датчика включает такие трудоемкие операции, как засыпку порошка в кольцевой зазор между чувствительным элементом и корпусом и заполнение кольцевого зазора между наружной поверхностью верхней части центрального электрода и внутренней поверхностью втулки диэлектрическим материалом.

Задачей изобретения является повышение надежности конструкции датчика и упрощение технологии его изготовления.

Для решения поставленной задачи предложен потенциометрический датчик активности кислорода, который, как и прототип, содержит несущий элемент, герметично присоединенный к нему стеклогерметиком чувствительный элемент из твердого электролита на основе оксида гафния, к которому присоединены электроды, при этом несущий элемент, чувствительный элемент и стеклогерметик выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Предложенный датчик отличается от прототипа тем, что его несущий элемент выполнен в виде трубки из оксида алюминия, чувствительный элемент выполнен в виде диска, на противоположные стороны которого нанесены порошкообразные электроды, диск свободной от электрода поверхностью присоединен к торцевой поверхности трубки при помощи кольца из композиционного материала, содержащего полимерное связующее и измельченный стеклогерметик в массовом соотношении от 1:1 до 1:5.

То, что в заявленном датчике несущий элемент, выполненный из оксида алюминия, чувствительный элемент из твердого электролита на основе оксида гафния, и герметично соединяющий их стеклогерметик, выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения, обеспечивает прочность и стойкость датчика при термоциклировании, а значит, повышает его надежность. К повышению надежности приводит и отсутствие подверженных коррозии металлического корпуса с привариваемой к нему втулкой и используемых при этом сварных швов.

Использование кольца из композиционного материала, содержащего полимерное связующее и измельченный стеклогерметик, вместо засыпки порошкообразного стеклогерметика в кольцевой зазор между чувствительным элементом и корпусом, как это осуществляют в прототипе, значительно упрощает сборку датчика. При этом массовое соотношение полимерного связующего и измельченного стеклогерметика от 1:1 до 1:5 в композиционном материале кольца обусловлено следующим. При содержании измельченного стеклогерметика относительно полимерного связующего большем, чем 5, ухудшается пластичность композита, при меньшем, чем 1, после выгорания полимерного связующего в процессе изготовления датчика, будет наблюдаться недостаток стекла, что приведет к негерметичности присоединения чувствительного элемента к несущему элементу.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении надежности датчика и упрощении его сборки.

Изобретение иллюстрируется рисунком. Заявленный датчик содержит несущий элемент в виде трубки 1 из оксида алюминия, длину которой можно варьировать в необходимых пределах, чувствительный элемент из твердого электролита на основе оксида гафния, герметично соединяющий их стеклогерметик, выполненные из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Чувствительный элемент выполнен в виде диска 2 из материала на основе стабилизированного оксида гафния, который является высокотемпературным твердым электролитом с проводимостью по ионам кислорода. На диск 2 с противоположных сторон нанесены порошкообразные электроды 3, 4. Диск с электродами свободной от электрода 4 поверхностью посредством кольца 5 из композиционного материала, содержащего поливинилбутираль и измельченный стеклогерметик в массовом соотношении от 1:2, присоединен к торцевой поверхности трубки 1. В качестве полимерного связующего может быть использован поливиниловый спирт, полиметилметакрилат или полибутилметакрилат. Высокотемпературный стеклогерметик представляет собой смесь оксида кремния, оксида алюминия, оксида кальция, оксида бария, оксида натрия, оксида циркония и оксида неодима. Стеклогерметик измельчают до фракции с размером частиц меньше 45 мкм. В качестве высокотемпературного стеклогерметика могут быть использованы другие стеклообразные материалы, ТКЛР которых сопоставим с ТКЛР оксида алюминия и стабилизированного оксида гафния. На трубку 1 нанесены токоотводы 6 с внутреннего и наружного электродов.

Для присоединения чувствительного элемента к несущей трубке, на ее торец укладывают кольцо 6, специальным зажимом укладывают на это кольцо дисковый чувствительный элемент и помещают в печь при температуре 1100°C на 10 минут. В результате чего, обеспечивается надежное и герметичное соединение трубки из оксида алюминия и чувствительного элемента на основе стабилизированного оксида гафния. Высокопроводящий состав керамики в твердом электролите позволяет расширить рабочий диапазон температур. При комнатной температуре материал на основе стабилизированного оксида гафния является изолятором, поэтому для появления ионной проводимости датчик должен быть нагрет до температуры не ниже 400°C. При этом наружный электрод 3 контактирует с анализируемой атмосферой, а внутренний электрод 4 омывается воздухом. Воздух служит газом сравнения, т.к. концентрация кислорода в нем постоянна (0,021 МПа или 0,21 атм). Таким образом, чувствительный элемент представляет собой кислородную концентрационную ячейку «воздух - измеряемый газ». Воздух внутрь датчика подается микрокомпрессором. Температура датчика измеряется хромель-алюмелевой термопарой, вставленной внутрь чувствительного элемента.

Принцип работы датчика основан на измерении ЭДС, возникающей на чувствительном элементе (уравнение Нернста):

где R - газовая постоянная,

Т - абсолютная температура, К,

F - число Фарадея,

рО2анал - парциальное давление кислорода в анализируемом газе,

рО2возд - парциальное давление кислорода в эталонном газе (воздух).

Таким образом, измерив разность потенциалов между эталонным и измерительным электродами, можно однозначно определить парциальное давление (концентрацию) кислорода в анализируемой среде.

Заявленный датчик надежен в эксплуатации, конструкция датчика позволяет использовать упрощенную технологию его сборки.

Потенциометрический датчик концентрации кислорода, содержащий несущий элемент, герметично присоединенный к нему стеклогерметиком чувствительный элемент из твердого электролита на основе оксида гафния, к которому присоединены электроды, при этом несущий элемент, чувствительный элемент и стеклогерметик выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен в виде трубки из оксида алюминия, чувствительный элемент выполнен в виде диска, на противоположные стороны которого нанесены порошкообразные электроды, диск свободной от электрода поверхностью присоединен к торцевой поверхности трубки при помощи кольца из композиционного материала, содержащего полимерное связующее и измельченный стеклогерметик в массовом соотношении от 1:1 до 1:5.



 

Похожие патенты:

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.

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).

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.

В заявке описан датчик (10) для определения по меньшей мере одного свойства анализируемого газа в заполненном им пространстве. Такой датчик (10), имеющий корпус (12) с отверстием (14), через которое из корпуса (12) выведен по меньшей мере один соединительный провод (18), и по меньшей мере один уплотнительный элемент (20), прежде всего проходную втулку, который по меньшей мере частично окружает соединительный провод (18) и имеет по меньшей мере один первый участок (28) и по меньшей мере один второй участок (30), из которых первый участок (28) обладает большей деформируемостью, чем второй участок (30), отличающийся тем, что уплотнительный элемент (20) выполнен из по меньшей мере одного полимерного материала, содержащего по меньшей мере один пластификатор, при этом первый участок (28) и второй участок (30) содержат пластификатор в полимерном материале в разном количестве.

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. Несущий элемент с помощью стеклогерметика герметично соединен с чувствительным элементом, выполненным в виде диска, на противоположные стороны которого нанесены порошкообразные электроды. При этом диск свободной от электрода поверхностью присоединен к торцевой поверхности трубки при помощи кольца из композиционного материала, содержащего полимерное связующее и измельченный стеклогерметик в массовом соотношении от 1:1 до 1:5, а несущий элемент, чувствительный элемент и стеклогерметик выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Изобретение направлено на повышение надежности датчика и упрощение его сборки. 1 ил.

Наверх