ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ГАЗА Российский патент 1996 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к измерительной технике, к газоаналитическому приборостроению и может быть использовано для контроля технологических процессов, например, в паровых котлах, доменных печах и т.д.

Известен ряд датчиков газа, например, кислорода, с твердым электролитом в виде таблеток и трубок с закрытым концом, с применением и без использования драгоценных металлов, с более или менее успешным решением проблемы высокотемпературного сочленения типа металл-керамика [1]
Указанные датчики обладают недостаточной точностью измерений, требуют значительного расхода электролита, ограниченной областью применения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кислородный детектор, содержащий твердый электролит в виде закрытой трубки с одной стороны, наружный и внутренний электроды с токоотводами, трубчатые газоподводящие элементы и держатель. При этом твердоэлектролитная трубка закреплена в держателе с помощью огнеупорного волокнистого материала, который одновременно служит и для разделения газовых устройств датчика [2]
Недостатком этого технического решения является низкая точность измерения, особенно проявляющаяся при установке датчика в отходящих газах топливовосжигающих агрегатов, работающих с малыми избытками воздуха. Это связано с ненадежным разделением газовых пространств датчика, т.к. по волокнистому материалу происходит смешение измерительного и стандартного газов.

По этой же причине не представляется возможным использование указанного датчика для работы с подводом измерительного газа к внутреннему электроду, т.е. в качестве выносного, что снижает его возможности.

Кроме того, известный датчик требует большого расхода электролита.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение,
повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей, сокращение расхода твердого электролита.

Для решения поставленной задачи в известном электрохимическом датчике газа, содержащем твердый электролит в виде закрытой с одной стороны трубки, наружный и внутренний электроды с токоотводами, трубчатые газоподводящие элементы и держатель, расположенный соосно с твердоэлектролитной трубкой; твердоэлектролитная трубка выполнена с герметическим отверстием на закрытом конце, через которое выведен один из токоотводов, оснащена пористыми защитными кольцами и присоединена со стороны открытого конца к переходному кольцу, расположенному на боковой поверхности держателя.

Держатель выполнен в виде стакана к дну которого заподлицо присоединены газоподводящие трубки, а длина и диаметр держателя выполнены в соотношении 0,5^oC5. Открытый конец твердоэлектролитной трубки выполнен с кольцеобразным буртиком на наружной поверхности.

Боковая поверхность держателя выполнена из материала переходного кольца.

Предлагаемый датчик поясняется рисунками.

На фиг. 1, 2, 4 показан датчик, в котором закрытый конец твердоэлектролитной трубки расположен противоположно держателю, на фиг.3 показан датчик, в котором твердоэлектролитная трубка закрытым концом направлена внутрь держателя. На фиг. 1,2,3 один из токоотводов, проходящих через герметическое отверстие, выведен наружу, на фиг.4 токоотвод, проходящий через герметическое отверстие, проходит внутри датчика. Электрический датчик газа содержит твердоэлектролитную ячейку, выполненную в виде твердоэлектролитной трубки 1 с герметическим отверстием 2 на закрытом конце, наружный 3 и внутренний 4 электроды с токоотводами 5, держатель 6, на котором расположено переходное кольцо 7, заподлицо присоединенные к дну 8 держателя 6 газоподводящие трубки 9.

Токоотводы 5 снабжены удлиняющими проводами 10.

Твердоэлектролитная трубка оснащена пористыми защитными кольцами 11 и присоединена со стороны открытого конца 12 к переходному кольцу 7, при этом открытый конец 12 выполнен с кольцеобразным буртиком 13 на наружной поверхности.

В процессе работы датчика контролируемая среда, например, дымовые газы в дымоходах паровых котлов, воздействуют на один из электродов, являющийся измерительным: на фиг.1,2,4 это внешний 3, а на фиг.3 внутренний 4.

Эталонный электрод (на фиг.1,2,4 это внутренний 4, на фиг.3 внешний 3) омывается эталонным газом с известным содержанием кислорода, подаваемым по газоподводящим трубкам 9.

Между электродами возникает ЭДС, определяемая разностью парциальных давлений кислорода в анализируемом и эталонном газах.

Электрический сигнал датчика снимается токоотводами 5 и по удлиняющим проводам 10 подается на измерительную схему газоанализатора.

Выполнение герметического отверстия 2 на закрытом конце твердоэлектролитной трубки 1 обеспечивает полную герметизацию внутренней полости трубки, что способствует надежному разделению газовых устройств датчика, а следовательно, датчик приобретает универсальность, т.е. его можно использовать и погружным и выносным. Размещение токоотводов и трубчатого газоподводящего элемента внутри держателя оправдано при относительно коротких глубинах погружения и больших диаметрах датчика.

Пористые защитные кольца 11 на твердоэлектролитной трубке 1 защищают электроды от попадания на них расплавленного стекла, обладающего повышенной текучестью, в процессе вклейки твердоэлектролитной ячейки в переходное кольцо 7 держателя 6. Пропитка же стеклом даже небольшого участка электрода вносит значительные помехи в показания датчика.

Торцевое соединение твердоэлектролитной трубки с держателем 6 осуществляется путем склеивания кольцеобразного буртика 13 (или открытого конца трубки) расплавленным стеклом с переходным кольцом 7 на боковой поверхности держателя 6, что обеспечивает высокую надежность, а следовательно, и точность работы датчика в условиях вибрации.

Кроме того, узел крепления твердоэлектролитной трубки и держателя 6 через переходное кольцо 7 проще при сборке и требует меньших трудозатрат.

При этом переходное кольцо 7 выполнено из материала, коэффициент температурного расширения которого совпадает с коэффициентом температурного расширения керамики, из которой выполнена твердоэлектролитная трубка, что также повышает точность измерений датчика при частых теплосменах в процессе его работы.

Повысится и надежность датчика, если корпус держателя 6 выполнить из материала переходного кольца, при этом дно держателя изготовляется из материала с промежуточным коэффициентом температурного расширения между материалом корпуса и материалом газоподводящих трубок. Оптимальное соотношение длины держателя и его диаметра 0,5-5.

Если соотношение меньше 0,5, то выходные отверстия газоподводящих элементов приблизятся к твердому электролиту и электродам и газовые струи будут их переохлаждать, что значительно снизит точность измерений.

Если же соотношение будет больше 5,0, то датчик нельзя будет использовать в качестве выносного, т.к. время газообмена, время реагирования датчика, будет недопустимо большим и снизится его быстродействие.

Предлагаемый датчик обладает повышенной маневренностью, т.к. его конструкция позволяет получать датчик необходимой длины за счет наращивания газоподводящих элементов и удлиняющих проводов, что сложно выполнить в датчике-прототипе, где хотя бы один токоотвод и газоподводящая трубка расположены внутри держателя.

При использовании датчика в качестве чувствительного элемента в устройствах для анализа газа, оснащенных термостатами для подогрева твердоэлектролитной трубки до рабочей температуры и несущими трубами, целесообразнее трубчатый держатель выполнять в виде стакана, при этом оба токоотвода необходимо вывести из полости датчика.

Для защиты электродов от попадания на них расплавленного стекла, обладающего большой текучестью, в процессе вклейки твердоэлектролитной ячейки в переходное кольцо держателя, последняя снабжена пористыми защитными кольцами.

Таким образом предлагаемый электрохимический датчик газа обладает следующими преимуществами:
1. Может быть выполнен любой длины.

2. Имеет высокую точность измерения за счет герметичности разделения газовых пространств датчика и защищенности электродов от пропитки стеклом при изготовлении датчика.

3. Малая материалоемкость датчика как по потреблению электролита, так и по расходу материала держателя.

4. Расширение функциональных возможностей за счет использования датчика в качестве погружного и выносного.

5. Высокая технологичность.

Использование: в измерительной технике, в частности в газоаналитическом приборостроении. Сущность изобретения: датчик содержит твердый электролит в виде трубки, на закрытом конце которой расположено герметичное отверстие, через которое выведен один из токоотводов. Трубка оснащена пористыми защитными кольцами и присоединена со стороны открытого конца к переходному кольцу, расположенному на держателе. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электрохимический датчик газа, содержащий твердый электролит в виде закрытой с одного конца трубки, наружный и внутренний электроды с токоотводами, трубчатые газоподводящие элементы и держатель, расположенный соосно с твердоэлектролитной трубкой, отличающийся тем, что твердоэлектролитная трубка выполнена с герметическим отверстием на закрытом конце, через которое выведен один из токоотводов, оснащена пористыми защитными кольцами и присоединена со стороны открытого конца к переходному кольцу, расположенному на держателе. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде стакана, к дну которого заподлицо присоединены газоподводящие элементы, а отношение длины держателя и его диаметра составляет 0,5 5,0. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что открытый конец твердоэлектролитной трубки выполнен с кольцеобразным буртиком на наружной поверхности. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность держателя выполнена из материала переходного кольца.