Газоанализатор кислорода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/409 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к газовому анализу. Изобретение может быть наиболее эффективно использовано для измерения концентраций кислорода в газовых смесях состава кислород - азот, кислород - аргон и т.п.

Известен кислородный датчик, работающий на принципе измерения предельного тока, содержащий твердоэлектролитную ячейку с электродами, источник напряжения, измеритель тока и диффузионный барьер, а диффузный барьер и катод объединены и имеют сложный состав, в котором основная доля приходится на металл, а остальное-смесь окислов. Основным недостатком этого датчика является недостаточная стабильность во времени в связи с

тем, что диффузионное сопротивление такого состава изменяется во времени из-за его спекания с течением времени.

Другой известный датчик отличается тем, что диффузионный барьер выполнен в виде керамического слоя, имеющего поры, диаметр которых менее среднего пробега молекул (0,1 мнм). Его недостатком является также нестабильность диффузионного сопротивления керамического слоя, из-за малости диаметра пор, которые легко засоряются в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к заявляемому объекту является известное устройство, содержащее твердоэлектролитную ячейку с электродами, источник напряжения, измеритель тока и диффузионный барьер

V VI

00

о о со

Кроме этого, оно содержит катодную камеру, выполненную из материала на основе диоксида циркония, в стенке имеется отверстие диаметром 10-50 мм и длиной 1-2 мм, служащее диффузионным сопротивлением. Внутри этой камеры расположен нагреватель, поддерживающий рабочую температуру 350-450°С.

Существенным недостатком этого устройства являются недостаточные точность измерений и воспроизводимость градуиро- вочных характеристик устройств этого типа, что связано со сложностью изготовления единообразных отверстий из-за их малости и расположение нагревателя внутри катодной камеры, что не позволяет создать одинаковое температурное поле для разных устройств.

Целью изобретения является повышение точности и измерений и воспроизводимости при серийном их изготовлении.

Поставленная цель достигается тем, что в газоанализаторе, содержащем источник напряжения, измеритель тока, нагреватель, твердоэлектролитную ячейку с твердым электролитом на основе диоксида циркония и электродами, катодное пространство которой соединено с анализируемым газом через диффузионный барьер, согласно изобретению в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония диаметром от 0,4 до 1,5 мм и длиной от 20 до 60 мм, герметично соединенный с катодным пространством твердоэлектролитной ячейки неэлектропроводящим высокотемпературным стеклом, имеющим коэффициент термического расширения (КТР) близкий к КТР твердого электролита и температуру плавления не ниже чем, например, 1250°С, а электроды твердоэлектролитной ячейки выполнены из смеси мелкодисперсных платины и твердого электролита на основе диоксида циркония, взятых в массовом соотношении:

Платина80-90%;

Твердый электролит 10-20%.

На чертеже схематично изображено заявляемое устройство.

Оно содержит твердоэлектролитную ячейку, включающую твердоэлектролитную камеру 4, выполненную, например в виде закрытого с одной стороны цилиндра имеющего состав 90% Zr02 10% Ґ263, электроды 6, катодное пространство 5. Электроды 6 твердоэлектролитной ячейки выполнены из смеси мелкодисперсных платины и твердого электролита на основе диоксида циркония, взятых в массовом соотношении:

Платина80-90%;

Твердый электролит 10-20% и нанесены методом вжигания при температуре 1300-1500°С. К катодному пространству 5 ячейки герметично подсоединен капилляр 1 с помощью высокотемпературного стекла 3. Капилляр 1 служит диффузионным барьером,выполненным из твердого электролита на основе диоксида циркония и

диаметром от 0,4 до 1,5 мм и длиной от 20 до 60 мм, герметично соединенным с катодным пространством твердоэлектролитной ячейки неэлектропроводящим высокотемпературным стеклом, имеющим коэффициент герметического расширения (КТР) близкий к КТР твердого электролита и температуру плавления не ниже, чем, например, 1250°С. Кроме того, устройство содержит источник напряжения 7 и измеритель тока 8, подсоединенные к электродам ячейки,и нагреватель 2.

Анализируемый газ омывает вход в капилляр.

Рассмотрим работу устройства в режиме измерений, В качестве анализируемого газа использовались поверочные газовые смеси кислород - азот с содержанием кислорода от 0,1 до 99,0%. Под действием напряжения, приложенного к электродам

ячейки 6, устанавливаемого постоянным в пределах от 0,4 до 1,1 В, из катодного пространства 5 ячейки кислород переносится через твердый электролит в окружающую среду. Температура твердоэлектролитной ячейки устанавливается постоянной в пределах 600/750°С. В катодном пространстве 5 iнакапливается азот,который диффундирует по капилляру 1 навстречу потоку анализируемого газа, в связи с чем

поменяется ток. Когда достигается стационарное состояние, устанавливается постоянный ток, называемый предельным током и зависящий при постоянных условиях только от концентрации кислорода в анализируемом газе.

Формула изобретения Газоанализатор кислорода, содержащий источник напряжения, измеритель тока, нагреватель и твердоялектролитную ячейку с твердым электролитом на основе диоксида циркония и электродами, катодное пространство которой соединено с анализируемым газом через диффузионный

барьер, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и воспроизводимости характеристик, в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония диаметром 0,4-1,5 мм и

длиной 20 - 60 мм, герметично соединенный с катодным пространством твердоэлек- тролитной ячейки неэлектропроводным стеклом, имеющим коэффициент термического расширения (КТР) близкий к КТР твердого электролита и температуру плавления не ниже 1250°С, а электроды твердоэлектролитной ячейки выполнены из смеси мелкодисперсных платины и твердого электролита на основе диоксида циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Платина80-90

Указанный твердый электролит 10-20

Использование: измерение концентраций кислорода в газовых смесях состава кислород - азот, кислород.- аргон и др. Сущность изобретения; устройство содержит источник напряжения, измеритель тока, нагреватель и твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ) с твердым электролитом на основе диоксида циркония и электродами, катодное пространство которой соединено с анализируемым газом через диффузионный барьер. В качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония диаметром от 0.4 до 1,5 мм и длиной от 20 до 60 мм, герметично соединенный с катодным пространством ТЭЯ неэлектропроводным стеклом, имеющим коэффициент термического расширения (КТР), близкий к КТР твердого электролита, и температуру плавления менее 1250°С. а электроды ТЭЯ выполнены из смеси мелкодисперсных платины и твердого электролита на основе диоксида циркония при определенных соотношениях компонентов. w Ё

о о оТсу oW р дх о о

К :

ох о ох

ВЫХОД ГЯЗЯ

о

Л. U.