ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1997 года по МПК G01N27/407 G01N27/409 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано при производстве твердоэлектролитных датчиков содержания кислорода, например в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания.

Известен твердоэлектролитный датчик содержания кислорода [1] состоящий из твердого электролита, эталонного электрода с постоянным парциальным давлением кислорода и измерительных электродов. Сложность эталонного электрода и необходимость дополнительных приборов для поддержания в нем постоянного парциального давления кислорода не позволяют использовать такое устройство в нестационарных условиях, например в выхлопной трубе автомобиля.

Ближайшим из известных технических решений к описываемому является газоизмерительный датчик [2] содержащий металлический корпус с отверстиями для подачи газа и размещенные в нем твердоэлектролитный чувствительный элемент, контактные элементы, соединительные проводники и нагреватель.

При нагревании датчика между платиновыми контактными элементами, один из которых нанесен на наружную поверхность чувствительного элемента, контактирующую с анализируемой газовой средой, а другой на внутреннюю поверхность чувствительного элемента, контактирующую с воздухом, возникает э.д.с. пропорциональная логарифму отношения парциальных давлений кислорода в анализируемой газовой среде и в воздухе. Таким образом, по величине э.д.с. можно определить состав газовой среды [3]
Однако сложная конструкция контактных элементов в известном датчике, использование в качестве соединительных проводников проводящих дорожек, наличие слоевых контактных площадок обусловливают низкую надежность электрического контакта в местах их соединения, а следовательно, и низкую надежность работы датчика.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в упрощении конструкции газоизмерительного датчика и повышении надежности его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в газоизмерительном датчике, содержащем металлический корпус с отверстиями для подвода газа и размещенные в нем твердоэлектролитный чувствительный элемент, контактные элементы, соединительные проводники и нагреватель, чувствительный элемент выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен нагреватель, и полностью покрывает его поверхность, нагреватель одной стороной соединен с корпусом, а другой стороной связан с первым соединительным проводником, прикрепленным к поверхности нагревателя, при этом в качестве первого контактного элемента использован нагреватель, а второй контактный элемент закреплен на внешней поверхности чувствительного элемента и связан со вторым соединительным проводником.

Корпус снабжен средством герметизации, обеспечивающим возможность вывода соединительных проводников по внешнюю среду, которое может быть выполнено в виде разделительной перегородки, в которую вмонтированы соединительные проводники.

Датчик может иметь термопару, присоединенную ко второму контактному элементу, при этом в качестве второго соединительного проводника использован проводник термопары.

Кроме того, второй контактный элемент может быть выполнен в виде металлической сетки с нанесенным на нее слоем проницаемого для кислорода электропроводящего материала.

На фиг. 1 представлена конструкция описываемого устройства, на фиг. 2 - статическая зависимость э.д.с. от состава газа, на фиг. 3 динамическая зависимость э.д.с. от состава газа.

Газоизмерительный датчик состоит из корпуса 1 с отверстиями 2 для поступления анализируемого газа. В корпусе 1 размещены чувствительный элемент 3, нагреватель 4, размещенный внутри чувствительного элемента 3 и соединенный одной стороной 5 с корпусом 1, к другой стороне нагревателя 4 прикреплен соединительный проводник 6. На внешней поверхности чувствительного элемента 3 расположен контактный элемент 7, к которому присоединен соединительный проводник 8. Соединительные проводники 6 и 8 вмонтированы в герметизирующий элемент 9, отделяющий рабочую часть 10 корпуса от внешней среды и выполненный с возможностью вывода соединительных проводников 6 и 8 из рабочей части 10, например, в соединительную часть 11 корпуса 1, где соединительные проводники могут быть подключены к выводам источника тока, измерителя э.д.с. или к измерительному кабелю 12, посредством которого осуществляют подключение источника тока, измерительных и исполнительных приборов.

Герметизирующий элемент 9 может быть выполнен в виде крышки корпуса или, как это показано на фиг. 1, в виде разделительной перегородки и снабжен элементами 13, изолирующими от него соединительные проводники.

В качестве чувствительного элемента 3 использована пленка оксида материала, из которого изготовлен нагреватель 4, например циркония или его сплава. Внутренняя поверхность чувствительного элемента 3 контактирует с нагревателем 4, который служит подложкой чувствительного элемента 3 и использован в качестве первого контактного элемента. При этом первый соединительный проводник 6 присоединен к поверхности нагревателя 4 в области раздела "нагреватель чувствительный элемент". Второй контактный элемент 7 может быть выполнен в виде металлической сетки с нанесенным на него слоем проницаемого для кислорода электропроводящего материала. Ко второму контактному элементу 7 может быть прикреплен спай термопары 14, при этом один из проводников термопары 14 используют в качестве соединительного проводника 8.

Устройство работает следующим образом.

Газоизмерительный датчик помещают в анализируемый газовый поток таким образом, чтобы рабочая часть 10 корпуса 1 была расположена в газовой среде. Соединительный проводник 15, связанный с корпусом 1, и соединительный проводник 6 подключают к источнику тока, в результате чего через нагревательный элемент 4 потечет электрический ток и температура чувствительного элемента 3 повысится.

Согласно теории высокотемпературного окисления Вагнера [4] в случае образования плотной оксидной пленки парциальное давление кислорода на поверхности раздела "металл оксид" равно равновесному давлению диссоциации оксида в контакте с металлом . В соответствии с этим э.д.с. возникающая на границах пленки оксида, вычисляется по формуле:
.

Давление диссоциации оксида в контакте с металлом определяется только температурой, следовательно, парциальное давление такого эталонного электрода является константой, не зависящей от парциального давления кислорода в газовой среде.

Таким образом, между нагревателем 4, выполняющем функцию первого контактного элемента, и вторым контактным элементом 7 возникает э.д.с. пропорциональная логарифму парциальных давлений кислорода в анализируемой газовой среде и в области раздела "нагреватель чувствительный элемент (пленка оксида), которую измеряют посредством измерителя э.д.с. подсоединенного к соединительным проводникам 6 и 8. По величине измеренной э.д.с. судят о концентрации кислорода в анализируемой газовой среде.

В случае необходимости температуру разогрева чувствительного элемента 3 измеряют при помощи термопары 9, один из выводов которой используют в качестве соединительного проводника 8 для измерения э.д.с. возникающей между нагревателем 4 и контактным элементом 7.

При этом предпочтительнее использовать тот проводник термопары 9, который благодаря контактной разности потенциалов и термо-э.д.с. вносит минимальную погрешность в процесс измерения. Например, для термопары "хромель алюмель" это "плюс".

На фиг. 2 приведена зависимость э.д.с. от состава выхлопных газов, полученная с помощью описываемого газоизмерительного датчика, установленного в выхлопной трубе автомобиля ВАЗ- 2106, работающего на холостом ходу. В этом случае в качестве источника тока использован аккумулятор автомобиля, клемма "минус" которого соединена с соединительным проводником 15, связанным с корпусом 1 газоизмерительного датчика, а клемма "плюс" с соединительным проводником 6, прикрепленным к нагревателю 4. Участок 1 соответствует атмосфере воздуха. Участки 2 и 6 соответствуют содержанию кислорода в выхлопных газах при топливной смеси, близкой по составу к стехиометрической. Участок 3 соответствует содержанию кислорода в выхлопных газах при обогащенной смеси, характеризующейся неполным сгоранием из-за недостатка воздуха, а участок 4 обедненной смеси, характеризующейся полным сгоранием с избытком воздуха. Участок 5 соответствует переходному режиму регулировки карбюратора. Состав смеси изменялся с помощью винтов "качества" и "количества" в карбюраторе. Таким образом, описываемое устройство может быть использовано и для регулировки холостого хода карбюраторных двигателей с целью снижения токсичности выхлопных газов и оптимизации процессов сгорания топлива.

На фиг. 3 приведена динамическая зависимость э.д.с. газоизмерительного датчика от состава выхлопных газов автомобиля, иллюстрирующая процесс сгорания топливной смеси с различными концентрациями кислорода. Состав топливной смеси регулировали поворотом дроссельной заслонки на холостом ходу. Максимальная э.д.с. (680 мВ) соответствует обедненной смеси, а минимальная э.д. с. (550 мВ) смеси, близкой по составу к стехиометрической. Таким образом, устройство может быть использовано в системах автоматического регулирования полноты сгорания топлива в карбюраторных автомобильных двигателях.

В газоизмерительном датчике при значительном упрощении за счет использования нагревателя в качестве одного из контактных элементов получена возможность применения сварки для соединения соединительных проводников с элементами датчика, что повышает надежность электрических контактов и работы устройства в целом, позволяя расширить область применения газоизмерительных датчиков.

Источники информации.

1. Патент ФРК N 3 820 881, МКИ⁵ G 01 N 27/58, 28.12.89.

2. Патент ЕР N 0415007, МКИ⁵ G 01 N 27/409, 06.03.91.

3. Г.Виглоб. Датчики. М. Мир, 1989, с. 183.

4. П. Кофстад. Высокотемпературные окисления металлов. М. Мир, 1969, с. 140.

Изобретение относится к области газового анализа, а именно к газоизмерительному датчику, содержащему корпус с отверстиями и размещенные в нем твердоэлектролитный чувствительный элемент, контактные элементы, соединительные проводники и нагреватель, чувствительный элемент выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен нагреватель, и полностью покрывает его поверхность, нагреватель одной стороной соединен с корпусом, а другой стороной связан с первым соединительным проводником, прикрепленным к поверхности нагревателя, при этом в качестве первого контактного элемента используют нагреватель, а второй контактный элемент закреплен на внешней поверхности чувствительного элемента и связан со вторым соединительным проводником. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газоизмерительный датчик, содержащий корпус с отверстиями и размещенные в нем твердоэлектролитный чувствительный элемент, контактные элементы, соединительные проводники и нагреватель, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен нагреватель, и полностью покрывает его поверхность, нагреватель одной стороной соединен с корпусом, а другой стороной связан с первым соединительным проводником, прикрепленным к поверхности нагревателя, при этом в качестве первого контактного элемента используют нагреватель, а второй контактный элемент закреплен на внешней поверхности чувствительного элемента и связан с вторым соединительным проводником. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен герметизирующим элементом, выполненным в виде металлической разделительной перегородки, в которую вмонтированы соединительные проводники. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он снабжен термопарой, присоединенной к второму контактному элементу, при этом в качестве второго соединительного проводника использован проводник термопары. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что второй контактный элемент выполнен в виде металлической сетки, на которую нанесен слой проницаемого для кислорода электропроводящего материала.