Твердоэлектролитный датчик окиси углерода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/411 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров окружающей среды, и может быть использовано для измерения концентрации окиси углерода в различных газовых средах.

Известные способы определения окиси углерода (СО) в газовых средах, связанные с отбором проб и дальнейшим их анализом химическими или спектральными методами, требуют много времени и не могут быть использованы для дистанционных измерений. Более перспективными являются твердотельные датчики с электрическим выходом, в частности потенциометрические датчики на твердых электролитах.

Известны твердоэлектролитные датчики СО, использующие в качестве ТЭЛ кисло- родпроводящие материалы на основе Zr02-CaO или /2-глинозема.

Недостаток этих датчиков в том, что они работают только при высоких (более 300°С)

температурах, что связано с низкой ионной проводимостью взятых материалов. Есть варианты создания датчиков СО для работы при температурах окружающей среды. В этих случаях используют протонные ТЭЛ типа Sb205 TihteO, полимерныеТЭЛ или фтор- проводящие твердые электролиты типа PbSnF-j. Этот тип датчиков имеет при комнатной температуре весьма низкое быстродействие и неширокий интервал измеряемых концентраций.

Наиболее близким к изобретению является датчик окиси углерода, содержащий фторпроводящий ТЭЛ на основе LaRj, электрод сравнения из смеси фторида олова с металлическим оловом и чувствительный электрод из порошкообразной платины. При комнатной температуре датчик практически неработоспособен из-за низкой чувствительности и малого быстродействия, но при 100°С он имеет следующие характеристики: чувствительность около 30 мВ/дека- ду, время установления сигнала на уровне 0,9Еуст. порядка 10 мин и нижний предел измерения концентраций СО 1 10 атм. Таким образом, к недостаткам прототипа можно отнести его низкое быстродействие и ограниченный диапазон измеряемых концентраций.

Целью изобретения является повышение быстродействия и расширение диапазона измеряемых концентраций СО при работе в области комнатных температур.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом датчике окиси углерода содержащем фторпроводящий твердый электролит и электрод сравнения из смеси металла с его фторидом, индикаторный электрод изготавливают из оксифторида никеля состава NiOxF2-2x (где 0,6 х 0,95) с добавками 2-15 об.% платиновой черни. Электрод сравнения изготавливают из смеси порошков свинца и фторида свинца.

На фиг. 1 приведен предлагаемый датчик окиси углерода; на фиг.2 - калибровочная кривая для одного из датчиков:

Датчик содержит металлический корпус 1 в виде полого цилиндра с сетчатым дном, в который вставлена изолирующая втулка 2. На дно стакана последовательно запрессовывают токоотвод из металлической сетки 7, индикаторный электрод 3, фторпроводящий ТЭЛ 4, электрод 5 сравнения и токоотвод 6, залитый герметиком 9. Между токоотводэми 6 н 7 включается вольтметр 8 постоянного токе.

Принцип габоты предлагаемого датчика заключается в следующем.

Если в измеряемой газовой среде отсутствует окись углерода, то между индикаторным электродом и электродом сравнения устанавливается начальная ЭДС, соответствующая выбранной электрохимической системе. При наличии в газовой системе СО происходит изменение ЭДС, пропорциональное ее концентрации.

Калибровочная кривая для одного из

датчиков при измерении смесей воздух-СО при комнатной температуре приведена на фиг. 2.

Пример1.В изолирующую втулку из оргстекла с внутренним диаметром 0,5 см

последовательно запрессовывают токоотвод из никелевой сетки, электрод сравнения из смеси металлического свинца и РЬР2 (по 50 мас.% каждого) общим весом 10 мг, слой фторпроводящего ТЭЛ состава 0,94 рьга 0,02 caF2 - 0,04 KF весом 100 мг и индикаторный электрод весом 10 мг, состоящий из оксифторида никеля состава NiOo,8Fo,4 с добавкой 8,0 об,% платиновой черни, При исследовании смесей воздуха с окисью углерода при 20°С и влажности около 30

V отн.% получают следующие технические характеристики: диапазон измеряемых концентраций СО 10 - об.%, чувствительность около 50 мВ/декаду, время установления сигнала науровнеО,9Е(быстродействие) 50 с, время релаксации 160 с (для концентрации СО 1 - 10 об.%). При малых концентрациях быстродействие и время релаксации увеличиваются в несколько раз (так для концентрации СО около

1 об.% эти величины составляют соответственно 200 и 600 с). Гр адуировочная кривая этого датчика приведена на фиг,2,

П р имер2, Изготовление датчика него испытание аналогичны примеру 1.

В качестве ТЭЛ используют состав 0,96 PbF2 - 0,04 KF. Индикаторный электрод выполняют из оксифторида никеля состава NiOo.gsFo.i с добавкой 15 об..% платиновой черни. Технические характеристики для

смесей воздух - СО: диапазон измеренных концентраций 10-1 об.%. Чувствительность 40 мВ/декаду, быстродействие 60 с, время релаксации 200 с (для диапазона от 10до1 об.% СО).

Примерз. Изготовление датчика и его испытание аналогично примеру 1.

Состав взятого ТЭЛ i 0,94 рьра - 0,02 CaF2 - 0,04 KF. Индикаторный электрод выполнен из оксифторида никеля состава

NiOo,eFo,8 с добавкой 2 об.% платиновой черни. Технические характеристики для смесей воздух- СО: диапазон исследуемых концентраций 10-1- об.%, чувствительность 45 мВ/декаду, быстродействие в интервале 10-1 об.% СО55с..время релаксации 180 с.

П р и м е р 4. Изготовление датчика и его испытание аналогичны примеру 1.

Состав твердого электролита 0,96 PbFa -0,04 KF. Индикаторный электрод выполнен из оксифторида никеля состава NlOo,45Fi,i с добавкой 20 об.% платиновой черни. Технические характеристики: диапазон измеренных концентраций СО 10 - 1 об.%, чувствительность 30 мВ/декаду, быстродействие 5 мин, время релаксации 20 мин.

П р и м е р 5. Изготовление датчика и его испытание аналогичны примеру 1.

Состав твердого электролита 0,96 рьР2 - 0,04 KF. Индикаторный электрод выполнен из оксифторида никеля состава NiOo,99Fo,02 с добавками 0,5 об.% платиновой черни. Технические характеристики: диапазон измеряемых концентраций 10-5 -10 об.%, чувствительность 20 мВ/декаду, быстродействие 10 мин.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предлагаемый твердоэлектролитный датчик окиси углерода имеет по сравнению с прототипом более высокое (более, чем на порядок) быстродействие даже без учета разницы в рабочих температурах

(в прототипе измерения ведут при 100°С), а конкретно 50-60 с. Предлагаемый датчик имеет более широкий (на два порядка) диапазон измерений концентраций СО в воздухе (до 1 об.%). Изобретение может

найти применение в таких областях народного хозяйства как теплоэнергетика, экология.

Формула изобретения Твердоэлектролитный датчик окиси углерода, содержащий помещенные в изолирующий корпус фторпроводящий твердый электролит, электрод сравнения из смеси металла с его фторидом и индикаторный электрод, отличающийся тем, что, с

целью повышения быстродействия и расширения диапазона измеряемых концентраций, индикаторный электрод изготовлен из порошкообразного оксифторида никеля состава NiOxF2-2x (где 0,6 х 0,95) с добавкой от 2 до 15 об. % платиновой черни.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров газовых сред, и может быть использовано для измерения концентрации окиси углерода в различных газовых смесях. Датчик содержит фторпроводящий твердый электролит, электрод сравнения из смеси порошков свинца и фторида свинца и индикаторный электрод из оксифторида никеля состава NiOxF2-2x (где 0,6 х 0,95) с добавками 2 - 15 об.% платиновой черни. При исследовании газовых смесей воздух - окись углерода при комнатной температуре и влажности среды около 30 отн.% получены следующие технические характеристики: диапазон измеренных концентраций СО 10 - Г об.%, чувствительность во всем диапазоне около 50 мВ/декаду, время установления сигнала вдиапазоне 10-1 об.% составляет 50 с и при уменьшении концентрации СО до 1 10 увеличивается до 200 с, время полной релаксации - соответственно 160 и 600с, 2 ил. сл с

Фьг-1

Ем8 9оо

-i-I

-з

-4

-5

%сг%)