Устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите Советский патент 1985 года по МПК G01N27/46 

Изобретение относится к устройствам для анализа газа с гальваническими -ячейками на твердом электролите которое используется для контроля, управления и регулирования, Известно устройство, содержащее твердый электролит, выполненный в в де пробирки, измерительный электрод нанесенный на ее внешнюю поверхность и электрод сравнения, размещенный во внутренней полости пробирки (Патент США № 4169778, кл.204-1955, G 01 N 27/46, опублик.1979). Однако данное устройство сложно, в изготовлении и не характеризуется длительным сроком работы. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите, содержащее размещенные в корпусе по крайней мере один измерительный электрод с токоотводом и эталонный газовый электрод с токопроводами; и трубками для подвода и отвода (Заявка ФРГ № 2061599, кл. G 01 N 27/58, опублик. 1978)-. Oднaкo-известное устройство не. отличается простотой и надежностью монтажа при.промышленном серийном изготовлении. После нескольких операций снижается надежность электрической проводки к измерительной ячейке. Кроме того, используются металлические части, в то время как для предотвращения коррозии целесообразнее применять керамические. Цель изобретения - упрощение изго тавления и удешевление устройства, а также повышение надежности в работе и обеспечение возможности применения его для анализа отдельных газов или параллельно нескольких разных газов при незначительных изме нениях их отдельных частей и в случае и пользования многих стандартных частей Поставленная цель достигается тем что в устройстве для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите, содержащем размещенные в корпусе по крайней мере один измерительный электрод с токопроводом и эталонный газовый электрод с токопроводами и трубками для подвода и отвода газа, твердый электролит, выполненный в виде стакана или в виде части стакана,- жестко соединен одним из торцов с трубкой подвода или отвода газа, в другом торце стак на с помощью герметичного материала установлена трубка для прохождения газа, причем измерительный электрод размещен на внешней поверхности стака на из твердого электролита, а этдлон ный газовый электрод - внутри стакана из твердого электролита, токопров ды электродов помещены, в изолирующие керамические капилляры, причем керамические капилляры токопровоДов измерительного электрода размещены со стороны внешней поверхности керамичер; ого стакана из твердого -электролита, а керамические капилляры токопроводов эталонного электрода размещены во внутреннем пространстве стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа и жестко закреплены в месте соединения стакана из твердого электролита и трубки подвода и отвода газа, а корпус, выполнен из пористой керамики. В корпусе может быть размещен нагревательный элемент. Измерительный электрод окружен трубчатым полым телом, которое герметично закреплено на стакане из твердого электролита. Кроме того, пористый керамический корпус выполнен с размером пор до 30 мм и дополнительно помещен в защитный корпус из керамики или огнеупорного металла, который снабжен каналами для отвода и подвода газа. На фиг.1а схематически представлено устройство с гальваническими ячейками на твердом электролите с капиллярами, в которых размещены токопроводы,. б - капилляры в месте их жесткого закрепления, в - капилляры в виде многокапиллярной трубы; на фиг.2а - то же, капилляры выполнены в виде многокапиллярной трубы и трубки для подвода или отвода газа, б - твердый электролит выполнен в виде стакана; на фиг.З - двуфункциональная конструкция на стакане из твердого электролита; на фиг.4 гальваническая ячейка на твердом электролите с большими электродами, полым корпусом, окружающим измерительный электрод, и пристроенными частями; на фиг.5 - трехфункциональная конструкция; содержащая два ста- кана из твердого электролита; на фиг.6 - устройство с гальванической ячейкой на твердом электролите беэ нагревателя; на фиг.7 - то же с двухфункциональной конструкцией на ста- кане из твердого электролита в нагревательном устройстве. Конструкция гальванической ячейки на твердом электролите со стаканом из твердого электролита 1, внешним электродом 2, внутренним электродом 10, керамическими изоляционными капиллярами 3, отверстием 6 в выемке 5, жестко вмонтированными при использовании керамических капилляров в виде многокапиллярной трубы 7, и коподводами /к электродам 4 и 11, а на фиг.2 - устройство -(повернутое н 90) после соединения его с трубой 13 подвода и отвода газа с изоляционной трубой 14. Защита против воздействия натяжения, давления или сдвига на электроды 2 и 10 и токоподводящие контакты 4 и 11 обеспечивается изгибом проводов перед входом и после выхода из отверстия 6 с помощью трех приваренных жаропрочных металлических пластинок 8 и запора 9 (фигЛи, в и фиг. 2) . Механически стабильный узел путем термообработки герметично присоединяют к трубе 13 подвода или вода с помощью герметизирующей массы 12. Стабильное соединение стакана из тверу.ого электролита 1 с трубой 13 подвода отвода может быть улучшено посредством подгонки со шлифом, например, 17 (фиг.2а) ..После соединения ячейки на твердом элек- . тролите с трубой подвода и отвода газа, после проверки работы ячейки и после проведения мер для улучшени работы эталонного внутреннего электрода в открытый конец стакана из твердого электролита вставляют капилляр 15 со спеченной массой 16. Для измерения парциальных давлений кислорода стакан выполняют из стабилизированной двуокиси циркония При использовании тверд;ых электролитов, из которых не может быть изготовлен механически стабильный стакан, на трубу 13 подвода или отЁода газа насаживают пористый керамический корпус, состоящий,например, из 80 вес.% А12Оз и 20 вес.% SiO или из чистого или МО, пропитывают его одним или различным твердоэлектролитными веществами,, предпочтительно в состоянии жидкого расплава. Можнотакже использовать газонепроницаемую трубу, например, из спеченного корунда с необходимым количеством окон, в которые вставлены части из чистого твердого элек тролита или пористые керамические ч сти с твердым электролитом в порах. В качестве герметизирующей массы 12 между твердым электродом и стабилизированной СаО двуокиси цир кония и тру.бой 13 подвода и отвода газа из спеченного корунда испольг зуется, например, смесь из стекла, изготовленного из, мае.ч: BaCOje;. ЗЮгВ; и 5 вес.% размельченной двуокиси циркония. Для получени соединения температура в зоне герметизирующей массы должна достигать . Путем замены большей или меньшей части B&COj на CaCOj можно изменять коэффициент расширения. Максимальной температура в проце се расплава и охлаждения должна быт в зоне трубы из спеченного корунда, вследствие большей теплопроводности последнего по сравнению с вyoкиcью циркония. От второго внешнего измерительно электрода 21 и герметично проведен во внутрь трубы 13 подвода или отво да с многокапиллярной трубкой 23 то копровод 22. Электрод 21 покрыт,иап ример, золотом, а электроды 2 и 10 платиной. В ячейке на твердом электролите из стабилизированной двуокиси циркония при измерении напряжения между электродами 2 и 10 можно определить парциальное давление кислорода, а при измерении напряжения между электродами 2 и 21 можно обнаружить присутствие горючих веществ наряду с кислородом. Для амперометрических и кулонометрических способов анализа целесообразно увеличить электроды как это изображено на фиг.4 на примере измерительного электрода 24 и противоположного электрода 25. С целью получения граничного тока, соответствующего определяемой концентрации газа, или определения концентрации газа с помощью повторяющегося дозирования газа из пробы газа от контролируемого газа с помощью трубчатого полого тела 26 отделяют определенный объем. Трубчатое полое тело 26 герметически присоединено к краевому выступу 27 стакана из-твердого электролита посредством герметизирующей массы 1 2 . Через кольцевую щель 28, пропускная способность которой может быть органичена пористым материалом, происходит непрерывный обмен газа. При измерениях или измеряют протекающий граничный ток при приложении постоянного напряжения, или по времени и току определяют заряд, ко- торнй необходим для почти полного отделения газа после одного периода полного выравнивания концентраций. По сравнению с потенциометрическим способом обеспечиваются p eпocpeдственное получение сигналов, пропорциональных концентрации газа, возможность работать без эталонного газа с противоположным электродом в присутствии контролируемого га.за. Число измерительных функций можно увеличить, если, как это изображено на фиг.5, к стакану из твердого электролита 1 герметично с помощью герметизирующей массы 30 присоедиг нить стакан 29 из твердого электролита другого состава. - Стакан из твердого электролита 29 может представлять собой пористую керамическую трубку с К 30 в порах. Электрод сравнения на этой трубке состоит из слоя 31 из КгЗа с 1 вес.% слоя из чистого серебра, который контактирует с сеткой 32 из серебра на проводе 33. Для предотвращения разрушения электрода сравнения ,из-за реакции восстановления необходимо, чтобы воздушный поток одновременно продувал электрод сравнения в стакане из твердого электролита 1 и электрод сравнения в стакане из твердого электролита 29.

Расположение присоединенной к трубе подвода и отвода газа гальванической ячейки на твердом электролите в пористой керамической трубе 34, которая действует одновременно в качестве фильтра и корпуса, показано на фиг.б и 7. На фиг.6 представлена гальваническая ячейка на твердом электролите без нагревательного устройства в защитном корпусе 35 с запорными шайбами 36-39, температурой в чехле 40 и каналом 41 для подачи контролируемого газа. Защитный корпус 35 выполнен пористой и, кроме того, имеет на одной стороне каналы для подвода и отвода газа. На фиг.7 представлено двуфункциональное устройство согласно фиг.З в трубчатом нагревательном устройстве 42 с вырезами в средней части. Кроме термопары, в чехле 40 для измерительного электрода 2 предусмотрена вторая термопара в чехле 43 для второго, расположенного BHS температурного максимума измерительного электрода 21 ТермопаЕ)ы в чехле вместе с каналом 41 для контролируемого газа и токопроводами нагревательного устройства закреплены в изолирующей трубе 44 на направляющей трубе 13 с помощью крепления 45.

Ограничение объема контролируемого газа обеспечивают запорные шайбы 37-39, абсолютные нити 46 и 47, проложенные в паз.ах корпуса нагревательного элемента, несущие трубки 48 и 49, а также асбестовое волокно 50, которое покрыто герметизирующей массой 51.

Устройство для анализа газа с гальваническими ячейками на твердом электролите является многофункцинальным, т.е. может быть использовано для непрерывного измерения горючих составных частей газов, таких как кислород, двуокись серы и двуокисв углерода, с вь сокой чувствительностью измерений. /

16

ю

П

/

п

28

26

с

т

/

/ / /

73

/ /

23

22

ригЛ

аг.З

UZ.5

Фи.б

:зб

./ 35

.37

.38 -39

-40

-41 -J

-13