Твердоэлектролитный датчик двуокиси углерода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/406 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров окружающей среды, и может быть использовано для определения концентрации двуокиси углерода s различных газовых средах.

Известны твердоэлектролитные датчики двуокиси углерода с использованием керамического твердого электролита на основе полиалюмината натрия, работающие при 300 - 500°С с рабочими электролитами из золота и платины, или на основе насикона (NaaZrzSlaPia), работающего при 800°С с индикаторным золотым электродом.

Наиболее бчизким к предлагаемому техническому решению является твердоэ- лектролитный сенсор ангидридов, содержащий твердый электролит с проводимостью

по ионам 02 2г02-СаО , карбонаты щелочных металлов и рабочие электроды Из серебра, золота или платины. При температуре 700°С датчик определяет концентрацию двуокиси углерода в воздушной среде с чувствительностью 20 мВ/декада в диапазоне от 1 до атм.

К недостаткам указанного датчика относится то, что он работает только при высоких температурах из-за низкой проводимости взятого твердого электролита и малых токов обмена на границе ТЭЛ-электрод. Кроме того, в датчике используются такие дорогостоящие и дефицитные материалы. как золото и платина.

Целью изобретения является снижение рабочих температур и удешевление датчика,

VI

00

Ю О

ел

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом датчике двуокиси углерода, содержащем твердый электролит, электрод сравнения на основе металлического проводника и индикаторный электрод, индикаторный электрод изготавливают из смеси порошков фторпроводящего твердого электролита, фто рРЩа цинка и оксида меди состава Сиг-х, где 0,,95, взятых в соотношении, мол.%:

ТЗЛ от 40 до 50,

ZnRzoT 2 до 25, Си2-х от 25 до 58,

В качестве фторпроводящих ТЭЛ берут фторид свинца, легированный фторидами щелочных и щелочноземельных металлов, а электрод сравнения датчика выполняют из смеси порошков металлического свинца и фторпроводящего ТЭЛ. Снижение рабочих температур вплоть до комнатной обеспечивает выбранный состав индикаторного электрода, выполненный в виде распределенных структур с фторпроводящим ТЭЛ, фторидом цинка и оксидом меди, Исключение из конструкции датчика золотых и платиновых .электродов удешевляет датчик. Избирательность датчика к двуокиси углерода, по-видимому, связана с образованием в приэлектродном слое карбонатов переходного металла (меди).

На фиг.1 показан общий вид. Датчик содержит помещенные в изолирующую втулку 1 фторпроводящий ТЭЛ 2, с одной стороны к которому припрессованы индикаторный электрод 3 и металлическая сетка 4, а с другой - электрод сравнения 5 со свинцовым токоотводом 6. Разность потенциалов между рабочими электродами измеряется высокоомным вольтметром 7 постоянного тока.

Датчик работает следующим образом. „ Если в исследуемой газовой среде отсутствует двуокись углерода, то между элек- тродами устанавливается начальная разность потенциалов, соответствующая выбранной электрохимической системе. При взведении в исследуемую среду С02 ЭДС датчика будет изменятся пропорционально концентрации С02. Для каждого датчика снимается калибровочная кривая, ход которой определяется типом его электродов и видом исследуемой газовой смеси (воздух, аргон или др.).

П р и м е р 1. В изолирующую втулку из оргстекла с внутренним диаметром 0,5 см последовательно запрессовывают: токоот- вод из никелевой сетки, индикаторный электрод массой 20 мг состава: ТЭЛ 094PbF2-0,02CaF2-0,04KF 45 мол.%, ZnF2 15 мол.%, GUI sO 40 мол.%; слой фторпроводящего ТЭЛ массой 100 мг состава 0,94PbF2-0,02CaF2-0,04KF; электрод сравнения общей массой 20 мг, содержащий 50 об.% металлического свинца и 50 об,%

указанного фторпроводящего ТЭЛ; токоот- вод из свинца. Исследовались смеси двуокиси углерода с атмосферным воздухом при температурах от 0 до 40°С в диапазоне концентраций С02 от 100 до 0.05 об.%. Ре0 зультаты измерений зависимости ЭДС ячейки от состава смеси при комнатной (около 20°С) температуре представлены на фиг.2. Нувствительность датчика изменяется по диапазону от больших концентраций к

5 меньшим от 70 до 15 мВ/декада, быстродействие (время установления сигнала на уровне 0.9Е) составляет около 10 мин. При снижении температуры до 0°С быстродействие изменяется до 15 мин, а при повыше0 нии температуры до 40°С - до 8 мин. Как видно их фиг.2, калибровочные кривые, снятые через 1 сут и через 2 сут после изготовления датчика, практически совпадают. П р и м е р 2. Изготовление и испыта5 ние датчика аналогично примеру 1. Использован фторпроводящий ТЭЛ состава 0,96PbF2-0,04KF, Индикаторный электрод содержит: ТЭЛ 50 мол.%, ZnF2 25 мол.%, Си 1,950 25 мол,%. Электрод сравнения со0 держит ТЭЛ 60 об.%, свинец 40 об,%, Быстродействие при 0°С 20 мин, при 20°С - 15 мин, при 40°С 10 мин. Вид калибровочной кривой близок к примеру 1.

ПримерЗ. Изготовление и испытания

5 датчика аналогичны примеру 1. Использован фторпроводящий ТЭЛ состава 0,94PbF2-0,02SrF2-0,04KF. Индикаторный электрод содержит ТЭЛ 40 мол.%, SrFa 2 мол.%, Cui.osO 50 мол.%. Электрод

0 сравнения содержит ТЭЛ 40 об.%, свинец б об. %. Быстродействие при 0°С 25 мин, при 20°С 16 мин. при 40°С 12 мин. Чувствительность при 20°С близка к примеру 1.

П р и м е р 4. Изготовление, и испыта5 ние датчика аналогичны примеру 1. Использован фторпроводящий ТЭЛ состава 0,96PbF2-0,04KF, Индикаторный электрод содержит, об,%: ТЭЛ 37, ZnF2 1, Сщ.озО 62, Электрод сравнения содержит, об.%: ТЭЛ

0 30. свинец 70. Быстродействие при 0°С 40 мин, при 20°С 20 мин. при 40°С 18 мин. Чувствительность падает на 30% по всему диапазону.

Примерб. Изготовление и испытание

5 датчика аналогичны примеру 1. Использовали фторпроводящий ТЭЛ состава 0,96PbF - 0.04KF. Индикаторный электрод содержит, мол.%: ТЭЛ 53, ZnF2 27, Cui.gyO 20. Элекг- род сравнения об.%: ТЭЛ 70, свинец 30. Быстродействие при 0°С 45 мин. при 20°С

25 мин, при 40°С 20 мин. Чувствительность падает на 40%. Примеры показывают работоспособность датчика в диапазоне температур, близких к комнатной. Характеристики датчика ухудшаются по мере отклонения состава от формулы изобретения. Изобретение может найти применение в таких областях как приборостроение,экология и др.

Формула изобретения Твердоэлектролитный датчик двуокиси углерода, содержащий твердый электролит,

0

электрод сравнения на основе металлического проводника и индикаторный электрод, отличающийся тем, что, с целью снижения рабочих температур, индикаторный электрод изготавливают из смеси фторпроводящего электролита, фторида цинка и оксида меди состава Сиа-хО, где 0,05 х 0,95, взятых в соотношении, мол.%:

Твердый электролит 40 - 50 ZnF22-25

Сч2-х25-58

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к датчикам контроля параметров газовых сред, и може.т найти применение при измерении концентрации двуокиси углерода в различных газовых смесях. Датчик содержит фтор- проводящий электролит на основе фторида свинца, электрод сравнения из смеси порошков твердого электролита и металлического свинца и индикаторный электрод, выполненный из смеси порошков твердого электролита, фторида цинка и оксида меди состава Cu2-xO, где 0.,95. При исследовании газовых смесей воздух-двуокись углерода в диапазоне температур от 0 до 40°С и интервале концентраций двуокиси углерода от 100 до 0,05 об.% получены следующие технические характеристики: чувствительность при комнатной температуре изменяется по диапазону концентраций от 70 до 15 мВ/декада, быстродействие около 10 мин, 2 ил. СО с

Ј

г- зфяяьтяьщ

1

ШЈ

4#,М8

100

$0

юс

Фиг г

Ј

ШЈ

5

фиг. 1

о г- через i Сут. х через 2 сут, после изготовления

конц.СОг, оЈ %