Устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах Советский патент 1982 года по МПК G01N27/46 

Изобретение относится к метрологии процессов диффузионного переноса кислорода в металлах и нестехиометрических соединениях и может быть использовано для измерения . коэффициента химической диффузии кислорода в металлах и таких соединениях, так TiOj, N6265, Се02±у и т. д. Известно устройство для измерения козффициента диффузии кислорода, содержащее твердозлектролитную гальваническую ячейку, состоящую из образца, твердозлектролитного тигля и злектрода сравнения, выполненного из равномолярной смеси металл-окись металла, потенциометрические выводы и термопару, подсоединенные к измерительным приборам 1 К недостаткам зтого устройства относится существенное увеличение погрещности измерени из-за взаимодействия образца с газовой средой И сильной поляризации злектрода сравнения при пропускании через ячейку постоянного тока, превышающего 100 мкА/см. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерений коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, содержащее твердозлектролитную таблетку для закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубки, установленной коаксиально внутри кислородного насоса, выполненного в виде твердозлектролитной пробирки, снабжённой дозировочными и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещенного в металлическу1о трубку 2. Недостатком зтого устройства является то, что при токе Bbmie 150-200 мкА/см поляризация может достигать 50-100 мВ, что приводит к значительному увеличению погрешности измерения. Этому же способствует отсутстствие контроля неионной составляющей электропроводности твердозлектролитных таблеток. Цель изобретения - повыщение точности изм ерения коэффициента диффузии кислорода в металлах н окислах. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения козффициента диффузии кислорода в . металлах и окислах, содержащее твердоэпектролитную таблетку для закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубки, установленной коаксиально внутри кислородного насоса, выполненного в виде твердоэлектролитной пробирки, снабженной дозировочными и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещен ного в металлическую трубку, снабжено циркуляционным насосом и дополнительным кислородным насосом, образующими с основным кислородным насосом и металлической трубко . замкнутый контур, в, стенках металлической трубки у ее торцов выполнены диффузионные отверстия. На чертеже представлено устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, общий вид. Устройство содержит два полых глухих твердоэлектролитных пробирки 1 и 2, выполненных, например, из стабилизированной двуокиси циркония и имеющих дозировочные з, 4, 5 и 6 и измерительные 7, 8, 9 и 10 элeкtроды и являющихся кислородными насосами 11 2 и 12 которые образуют с помощью металлической трубки 13 и циркуляционного насоса 14 замкнутый контур. Трубка 13 соединена с основаниями 15 и 16 насосов 11 и 12 через сильфоны 17 и 18 и пружины 19 и 20, которые з обеспечивают соответственно герметизацию соединения трубки с насосами и надежный контакт внутренних измерительных электродов 8 и 10, выполненных в виде сужающихся твердоэлектролитных тел, и имеющих пористые металлические слои 21 и 22, с внутренней поверхностью дна пробирки 1 и 2. На одном торце трубки. 13 закреплена твердоэлектролитная таблетка 23 с исследуемым образцом 24, свободной поверхности которого касается измери тельный электрод , а на другом торце закреплен измерительный электрод 10, Для заполнения системы инертным газом служит вентиль 25. Потенциометрические выводы 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 и 36 соответственно, гальванической ячейки, содержащей исследуемый образец 24, измерительных и дозировочных электродов насосов 11 и 12, подсоединенное к измерительным приборам 37 38, 39, 40, 41 и 42 и соответствующим источникам постоянного тока. Температура гальванической ячейки, содержащей образец 24, и кислородных насосов 11 и 12 поддер ивается на заданном уровне с помощью электрических нагревателей 43 и 44 и термопар 30-45 и 39-46. Вблизи торцов трубки 13 имеется система диффузионных отверстий 47 и 48, диаметры которых в 3-5 раз меньще толщины стенки трубки, а оси отверстий направлены 14 на пористые металлические слои 49 и 22 соответственно электролитной таблетки 23 и электрода 10, что позволяет направить весь газ на пористое покрытие. Исследуемый образец 24 одним торцом соединен с твердоэлектролитной таблеткой 23, а на свободном торце имеет кольцеобразный металлический слой 50, внутри которого расположена одна из верщин измерительного электрода в виде сужающегося твердоэлектролитиого тела 8. Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 24 соединяют с твердоэлектролитной таблеткой 23, например, путем диффузионной cBapkH, наносят на свободный торец образца кольцеобразный, металлический слой 50, устанавливают сборку 23-24-8 на торец трубки 13, систему герметизируют и заполняют инертным газом. После чего нагревают пробирки 1 и 2 с помощью нагревателей 43 и 44 до рабочей температуры, лежащей в интервале 90Q-1800 К, включают циркуляциош ный насос 14 и прикладывают напряжение к , дозировочным электродам 3 и 4 и 5 и 6 такой величины, чтобы значение ЭДС на выводах 26-27, т. е. Eз было вблизи нулевого значе-. ния, что соответствует установлению равновесия между исследуемым образцом и газовой средой, т. е. равно Р0, а по величине ЭДС Ез9, которая равна в этих условиях 41, определяют концентрацию кислорода в исследуемом образце Ср. Затем к выводам 27-28 прикл аоьшают напряже::ие величиной 50100 мВ , тем самым изменяют концентрацию кислорода Ср на поверхности раздела образецэлектролит и измеряют силу тока Ззв. протекающего через гальваническую ячейку 50-2423-49, и также величину измене шя силы тока 342. протекающего через дозировочные электроды 5-6, обусловленное поступлеггаем (или удале-. нием) кислорода во внутреннее пространство ffj - f, , трубки 13. При этом величину тока341 изменяют настолько, чтобы величина ЭДС ЕЗ 9 сохранилась неизменной в течение всего эксперимента. Величину изменения тока 042-342) сравнивают с величиной тока Зз в. определяют неионную составляющую проводимости .твердоэлектролитной таблетки 23, находят значение ионного тока и по уравнению Коттрела . IFSgo-Co) -VK сила ионного тока, протекающего через гальваническую ячейку; F - постоянная Фарадея; D - коэффициент химической диффузии кислорода; CQ, CjJ- начальная и конечная концентрация кислорода в исследуемом образце; t - время; S - площадь поверхности раздела электролит-образец;V - первый корень функции Бесселя нулевого порядка, находят коэффициент диффузий кислорода в исследуемом образце. Устройство позволяет измерять коэффициент диффузии кислорода в металлах и окисла в интервале значений 10 - 10 в температурном диапазоне 900-1800 К с погрешностью 5-8%. Формула изобретения Устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, содержащее твердоэлектролитную таблетку .дл закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубк устанавленной коаксиально внутри кислородного насоса, вьшолненного в виде твердоэлек ролитной пробирки, снабженной дозировочным и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещенного в металлическую трубку, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерений, оно снабжено циркуляционным насосом и дополнительным кислородным насосом, образующими с основным кислородным насосом и металлической трубкой замкнутый контур, в стенках металлической трубки у ее торцов выполнены, диффузионные отверстия. Источники информации, принятые во BHKMaffiie при экспертизе 1.Steele В. S. and Riccardi С. С. Меаsuments of Chemical diffusion x)efficients in Inon-stexiometrica oxides using solid state electrochemical technica, London, Metallurgu- caV Chemistrv, 1972, pp. 123-135. 2.Pastoreh R. L. and Rapp R. A. The solibUky and diffusivity of oxident In solid copper from electrochemical measument, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 245, (1969), pp. 1711-1720.