ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА Советский патент 1973 года по МПК G01N27/417 

1

Предлагаемая Езысокотемпературная гальваническая ячейка может примеияться для определения ко -1цеитрации и Х1 мического потенциала к слорода в различных средах в Н1ироком диапазоне.

Нижние иределы измерения известного датчика ограничеии сравнительно высоким иарц11а.;1ьиыы давлением и химическим иотеициалом кислорода иад электролитом и ггоявлеиием электрошю ироводимости.

Примеиеипе датчиков из твердых электролитов той же коиструкции иа осиове легироваииой оиислами редкоземельных элементов двуок си тория гюзво.чяет определять коицеитрацию и химический потенциал кислорода более иизкие, чем с электролитами иа оеиове двуокиси циркония.

Однако из-за возннкиовеиия дырочиой ироводимости в ториевых электролитах ири болыиих содержаниях кислорода э.д.с. датчика перестает соответствовать термодинамической, и поэтому значительно возрастают иогрешиости из.мерения; исключается возможность использовать воздхх в качестве этало1И1Ого газа.

Цель изобретения - устранение указаииых недостатков.

Отличительная особешюсть изобретения заключается в том, что гальваническая ячейка представляет собой два или более последовательно соедииеииых гальванических элемента из разных твердых электролитов, но обладаюидих ионной кислородной проводимостью, с одним или несколькими общими электродами, электрически последовательно соедии5:ющ1.ми элемеиты между собой. При этом электролиты, входяи.ие в гальваническую ячейк}, подбирают так, чтобы с воздухом контактирова. электролит, который имеет

лучшие характернст1)ки при больших содержаниях К1 слорода, а с анализируемым газом другой электролит, имеющий лучшие характеристики при малых содержаниях кислорода. В промежутке между электролитами помещают общий для двух ячеек электрод, например, из смеси и закиси иикеля. В силу высокой электропроводности он одиовременио является и общим электродом и проводником тока, связывающим оба элемента. Кроме того, общий электрод одиовремеиио создает в иромежутке между элементами иеобходимый для работы гальванической ячейки химический потенциал кислорода, величина которого является промежуточной

между химическими потенцпалам кислорода, и анализируемого газа.

В промежутке между электролитами Ieобходимый промежуточный потенциал может быть создан не за счет общего электрода, а

за счет материалов электролитов или другим способом. При этом общий электрод мо}кет быть выполпеп из металла или вовсе отсутствовать. С 1 ослед 1ем случае роль общего электрода выполняет пограничный слой соприкасающихся электролитов. Возможно большое количество вариантов гальванической ячейки с двумя, тремя-S более электрически последовательно включенными гальваническими элементами, в которых твердые электролиты могут быть выполнены в виде коаксиальных цилиндров, пробирок, пластин или днсков илн нметь любую другую форму.

На фиг. 1-4 показаны разные варианты предлагаемой высокотемпературной гальва 1ической ячейки.

На фиг. 1 изображен первый вариант гальваиической ячейки с общим электродом, выполненным из смеси металла с равновесиым с ним окислом, где 1 - трубка из керамики, состава: Th 0,85, La 0,15, О 1,925, длиною 200 мм, внутренним диаметром 5 мм и внешиим - 7 мм; 2 - трубка из керамики состава: Lr 0,85, Са 0,15, О 1,85, длиною 200 М.М и внутренним диаметром 12 мм; 3- внешний газопроницаемый электрод, контактирующий с эталонным газом, например воздухом; 4 - внутренний газопроницаемый электрод, коитактирующий со средой, в которой измеряется содержание кислорода; 5 и 6 - центрирующие шайбы, выиолненные из любого материала, в частиости снрессозаниые из смеси металла н окисла того же металла, наиример из одинаковых весовых количеств иикеля и закиси никеля; 7 - промежуточный (третий) газопроницаемый электрод, состоящий 13 смеси металла с равноиесиым с ним окислом, иапример из равных частей никеля и его закиси; 8 - герметическое унлотнение.

На фиг. 2 изображен второй вариаит гальваиической ячейки с газовым электродом, i-де 1 - трубка из керамики, например состава: Th 0,85, La 0,15; О 1,925; 2 - трубка из керамики состава: Zr 0,85, Са 0,15, О 1,85; - виешиий газопроницаемый электрод, контактнрующий с эталонной смесью, напрнмер воздухом; 4 - внутреиннй газопроницаемый электрод, контактирующий со средой, в которой измеряется содержание кислорода; 9 - резервуар для промежуточного газа, являюихийся одновременно и электричес -:iiM контактом между гальваническими эле.моитами, составляющими ячейку.

На фиг. 3 изображен третий вариаит |альваиической ячейки из двух слоев, разделенных пористой пленкой металла, где /-трубка из керамики, например из легироваииой двуокиси тория; 2 - трубка из керамики, например из легированной дв окиси 1-|.ирконня; 5 - внешннй газонроиицасмый лектрод, коитактирующий с эталоииой смесью, иапример воздухом; 4 - внутренний газопроиицаемый электрод, коитакт1ф)Ю1ци11 с анализируемой смесью; 10 - пористая га: опроиицаемая пленка металла,

На фиг. 4. изображен четвертый вариан двухслойной гальванической ячейки, где /- труба из керамики, нанример из легированной двуокиси тория; 2 - трубка из керамики, например из легированной двуокиси циркония; 3 - внешний газопроницаемый электрод; 4 - внутренний газопроницаемый электрод.

Принцип действия гальваиической ячейки

заключается в следующем.

Ячейка состоит из двух последовательно соединенных гальванических датчиков. Первый датчик образуется керамической трубкой 1, электродом 4 и общим электродом 7,

как изобрал ено на фиг. 1, или общим электродом 9, как изображено на фиг. 2, или пограничным слоем на стыке двух трубок, как изображено на фиг. 4.

Второй датчик образуется из керамической трубки, электрода и общего электрода. Во всех случаях электрод является проводником тока и электрически последовательно соединяет датчики между собой.

При этом э.д.с. первого датчика возникает

под действием разности парциальиых давлеиий и химических потенциалов кислорода в анализируемом газе и кислорода, контактирующего с общим электродом. У второго датчика э.д.с. возиикает под действием разиости парцпальиых давлений и химических потенциалов кислорода в эталонной среде, омывающей электрод 3, и кислорода, контактирующего с общим электродом. Суммарная э.д.с. такого составного гальванического элемента не зависит от выбора промежуточного электрода и ко1щеитрации кислорода на нем, а определяется целиком разностью химических потенциалов кислорода в эталонном и анализируемом газах.

Концентрация и химический потенциал кислорода на общем электроде создаются в случае гальванической ячейки, изображенной на фиг. 1, равновесным парциальным давлением кислорода и ад смесью металла is

окисью металла и определяются его составом и рабочей температурой ячейки, для гальванической ячейки по фиг. 2 - содержанием кислорода в промежуточном газе.

Предмет и з о б р е т е и и я

1. Высокотемпературная гальваническая ячейка для измереиия коицентрации и химического потенциала кислорода, содержащая

срлвиительиый и измерительный электроды и расположенный между ннмн твердый электролит, отличающаяся тем, что, с целью расшнрения диапазона измеряемых концентраций, она содержит расположенный между

сравнительным и измерительным электродами, по меньшей мере еще одии твердый электролит, соединенный с первым последовательно по ионному потоку промежуточным электродом, причем число переиоса одиого из

электролитов близко к единице при высоких концентрациях кислорода, а второго - при малых концентрациях кислорода. 2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного электрода служит граница раздела между двумя твердыми электролитами. 3. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного электрода непользована смесь металла с равновесным с ним окислом или равновесных окнслов металлов. 4. Ячейка но н. 1, от.п1Чи1оп{аяся тем, что S качестве промежуточного электрода нспользован резервуар с газом с заданным парцнальным давлением кислорода. 5. Ячейка по п. 1, отличаюи аяся тем, что в качестве промежхточного электрода иснользована нористал пленка металла.

Анйлизируе- мы и газ

/ /

8 Фаг I 3

Y///f///////////////7У//////у // ////// . f ///л

2

Анализируемый газ

// У7777УУу777

.fL /LZJ7Z77.

;//

Анализируемой №

ШШ

fPuK J

Риг