RU167397U1 - Термокаталитический сенсорный модуль - Google Patents
Термокаталитический сенсорный модуль Download PDFInfo
- Publication number
- RU167397U1 RU167397U1 RU2016132298U RU2016132298U RU167397U1 RU 167397 U1 RU167397 U1 RU 167397U1 RU 2016132298 U RU2016132298 U RU 2016132298U RU 2016132298 U RU2016132298 U RU 2016132298U RU 167397 U1 RU167397 U1 RU 167397U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gamma
- hydrogen
- alumina
- compensation
- sensor module
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
- G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Использование: для определения концентрации водорода. Сущность полезной модели заключается в том, что термокаталитический сенсорный модуль содержит измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие из гамма-оксида алюминия, имеющее шарообразную форму, при этом поверхность гамма-оксида алюминия измерительного элемента активирована палладиевым катализатором, а поверхность гамма-оксида алюминия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности к водороду, расширения диапазона определяемых концентраций водорода, повышения быстродействия и уровня унификации устройства. 2ил.
Description
Заявляемая полезная модель относится к области разработки газочувствительных элементов, применяемых в составе сенсоров, датчиков, течеискателей, газосигнализаторов, газоанализаторов, а также других приборов и систем газового анализа, может быть использована для обнаружения довзрывоопасных концентраций газообразного водорода на различных объектах.
Известно "Устройство для определения утечки газообразного водорода в отсеках гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА)", по патенту на полезную модель РФ №40485, представляющее собой термокаталитический сенсор, содержащий каталитически-активный и компенсационный чувствительные элементы, помещенные в реакционную камеру с газообменным фильтром и включенные в плечи моста Уитсона. При этом каталитически-активный чувствительный элемент выполнен в виде пеллистора, состоящего из гамма-Al2O3, покрытого мелкодисперсной платиной и палладием (платиновая и палладиевая чернь). Внутри пеллистора вмонтирован платиновый резистор, выполняющий функцию нагревателя и термометра. Недостатками данного устройства являются сравнительно невысокая чувствительность и недостаточное быстродействие.
Известно устройство "Термокаталитический сенсор" по патенту на полезную модель РФ №48639, предназначенное для обнаружения водорода и/или метана, содержащее помещенные в реакционную камеру измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде цилиндрических спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено покрытие из гамма-оксида алюминия, при этом поверхность покрытия измерительного чувствительного элемента активирована родиевым катализатором. Недостатком данного сенсора является низкая чувствительность по водороду.
Недостаточная чувствительность к водороду вышеназванных устройств обусловлена тем, что поверхность спирали из платиновой проволоки компенсационного элемента является каталитически активной по отношению к водороду. Данный эффект обусловлен тем, что реакция окисления водорода на платине является структурно не чувствительной, т.е. водород может окисляться как на мелкодисперсном катализаторе, так и на поверхности литого платинового провода при температуре 180-200°C, что соответствует рабочей температуре сенсора. Таким образом, разность сопротивлений активного и компенсационного элемента (полезный сигнал) по водороду у данных сенсоров занижен. Недостаточное быстродействие аналогов связано с химическим составом и структурой катализатора, а также с технологией его приготовления.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является термокаталитический сенсор по патенту №48639, принятый за прототип.
Целью заявляемой полезной модели является создание термокаталитического сенсорного модуля с повышенной чувствительностью к водороду, расширенным диапазоном определяемых концентраций водорода, повышенным быстродействием и высоким уровнем унификации.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в следующем.
Термокаталитический сенсорный модуль (далее по тексту - сенсорный модуль), применяемый для обнаружения водорода, содержит измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие из гамма-оксида алюминия шарообразной формы. Поверхность гамма-оксида алюминия измерительного элемента активирована палладиевым катализатором, а поверхность гамма-оксида алюминия компенсационного элемента пассивирована тонкой пленкой силиката натрия.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фиг. 1, на которой показана схема сенсорного модуля, и фиг. 2, отображающей зависимость полезного сигнала сенсорного модуля от способа изготовления компенсационного элемента.
Сенсорный модуль содержит корпус 1 с установленными в нем, одинаковыми по конструкции, измерительно-нагревательными спиралями 2, выполненными из платинового микропровода, имеющего диаметр 20 мкм. На спирали нанесено керамическое покрытие 3, состоящее из гамма-Al2O3. Каталитически активный элемент содержит тонкопленочный катализатор 4 из мелкодисперсного палладия. Компенсационный элемент, отличающийся от чувствительного отсутствием каталитических добавок, имеет тонкопленочное покрытие 5 из метасиликата натрия (Na2SiO3), нанесенное поверх слоя гамма-Al2O3 и предназначенное для устранения каталитической активности поверхности платинового микропровода.
Для проведения испытаний на газовых смесях сенсорный модуль устанавливается в съемную реакционную камеру 6, имеющую объем 1-5 см3, изготовленную из химически инертного материала и содержащую газопроницаемый элемент 7. Для измерений сигнала по водороду чувствительный и компенсационный элементы модуля включены в плечи моста Уитсона.
Сенсорный модуль работает следующим образом. Водород, продиффундировавший через поры газопроницаемого элемента, поступает на каталитически активный элемент и окисляется на нем. Продукты реакции (пары воды) диффундируют через поры газопроницаемого элемента, наружу. Тепло, выделившееся при реакции окисления, приводит к изменению сопротивления каталитически активного элемента и разбалансу моста Уитсона.
В общем случае изменение сопротивления термокаталитического сенсора при подаче водородо-воздушной смеси происходит в соответствии с формулой:
ΔRc=(Rиэ (Н2) - Rиэ. (возд))-(Rкэ. (Н2)-Rкэ (возд)),
где ΔRc - изменение сопротивления (полезный сигнал), Ом;
Rиэ. (Н2) - сопротивление измерительного элемента в смеси водород-воздух, Ом;
Rиэ (возд) - сопротивление измерительного элемента на воздухе, Ом;
Rкэ. (H2) - сопротивление компенсационного элемента в смеси водород-воздух, Ом;
Rкэ.(возд) - сопротивление компенсационного элемента на воздухе, Ом;
при этом для заявляемого сенсорного модуля
Rкэ (H2)-Rкэ. (возд.)=0,
т.к. глубокие поры керамического покрытия гамма-Al2O3 компенсационного элемента изолируются метасиликатом натрия, что исключает доступ водорода к платиновой спирали, в то время, как для устройств с неизолированным компенсационным элементом
Rкэ (H2)-Rкэ. (возд.)>0.
Методика изготовления компенсационного элемента включает осаждение гамма-Al2O3 на платиновую спираль, первичную сушку и прокаливание при 800°C. После этого на керамику гамма-Al2O3 наносится раствор метасиликата натрия и прокаливается с медленным нарастанием температуры до 600°C. Таким образом, формируется изолирующий слой в порах гамма-Al2O3, препятствующий окислению водорода на платиновой спирали, в результате чего повышается чувствительность сенсорного модуля.
Данная технология основана на свойстве метасиликата натрия при нагревании увеличивать вязкость и затвердевать при понижении концентрации структурно связанной воды до 20-30 мас.%. При прокаливании метасиликата натрия выше 100°C скорость потери веса снижается и обращается в ноль около 600°C, когда гидратные формы кремнезема полностью отдадут воду. Здесь весьма важен темп нагревания. Если давление насыщенного пара в глубоких слоях метасиликата натрия окажется выше атмосферного, то произойдет его вспучивание, препятствующее образованию тонкой пленки, поэтому, с помощью специального электронного устройства, обеспечивается плавное нарастание температуры (50°C в мин).
Изготовление компенсационного элемента производится следующим образом.
На цилиндрической спирали из платиновой проволоки диаметром 20 мкм формируют гранулу гамма-Al2O3. Для получения сферической формы гранулы диаметр спирали и ее длина должны быть соизмеримы. Методом погружения на спираль осаждают суспензию, содержащую гамма-Al2O3. Затем спираль нагревают до температуры 150-170°C, пропуская через нее электрический ток. При данной температуре суспензию сушат в течение 5-10 с. Процесс повторяют до получения гранулы сферической формы требуемых размеров. При этом все витки спирали должны быть скрыты под слоем гамма-Al2O3. Полученную гранулу прокаливают в течение 1 ч на воздухе при 800°C.
Пропитка гамма-Al2O3 раствором Na2SiO3 включает в себя следующие стадии:
1. Приготовление раствора порошка Na2SiO3 в дистиллированной воде.
2. Нанесение раствора на гамма-Al2O3 из дозатора. Время контакта 1 с. Раствор должен быстро впитываться пористой поверхностью гамма-Al2O3. В случае образования избытка раствора, необходимо удалить его с помощью фильтровальной бумаги.
3. Прокалка компенсационного элемента с медленным нарастанием температуры до 600°C и охлаждение до комнатной температуры.
4. Выдержка сенсорных модулей в течение 16 ч на воздухе при 600°C.
Технология покрытия компенсационного элемента метасиликатом натрия [1, 2] имеет ряд преимуществ по сравнению с известной технологией с применением жидкого стекла [3]. Покрытие на основе метасиликата натрия имеет повышенную устойчивость к перепадам температур и улучшенную адгезию к поверхности платинового провода.
Технология нанесения покрытия метасиликата натрия обеспечивает параметры компенсационного элемента, максимально приближенные к параметрам измерительного элемента, что необходимо для сохранения стабильности работы сенсора при воздействии внешних факторов (температуры и влажности).
Для приготовления катализатора активного элемента используется разбавленный водный раствор хлорида палладия, который наносится на поверхность нагретого гамма-Al2O3, что позволяет получить высокоактивный катализатор с длительным ресурсом работы. Концентрация раствора хлорида палладия, время контакта с поверхностью гамма-Al2O3, температура прокаливания и др. параметры процесса подбираются экспериментально по результатам испытаний на газовых смесях водород-воздух.
Технология приготовления палладиевого катализатора позволяет получать сенсорные модули с улучшенными параметрами - быстродействием, чувствительностью и долговременной стабильностью.
Использование палладиевого катализатора применительно к водороду обусловлено его химическими свойствами и описано в литературе [4, 5].
Усредненные данные по результатам испытаний партии сенсорных модулей с компенсационными элементами, полученными пропиткой оксида алюминия метасиликатом натрия, в сравнении с модулями, содержащими однокомпонентное покрытие компенсационных элементов, приведены на фиг. 2. Для проведения испытаний использовалась реакционная камера, имеющая объем 1,2 см3, содержащая газопроницаемый элемент в виде сетки из нержавеющей стали, изготовленной из проволоки диаметра 0,064 мм, с квадратными ячейками, площадью 0,004 мм2.
Время установления показаний модуля в приведенном диапазоне концентраций составляет 5-10 с. Изменение сигнала в диапазоне концентраций водорода от 0,05 до 3,5% об. составляет 45 мВ, что позволяет использовать модуль в приборах с несколькими порогами срабатывания сигнализации.
При условии проведения соответствующей калибровки данный сенсорный модуль может быть применен для обнаружения других горючих газов и паровоздушных смесей (метан, пропан, метанол и др.).
Применение сенсорного модуля позволяет ускорить процесс разработки сенсоров и датчиков с различными исполнениями реакционных камер, т.к. модуль является малогабаритным изделием, в стандартном транзисторном корпусе ТО-5 с высоким уровнем унификации.
Таким образом, техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение чувствительности к водороду устройств, применяемых для обеспечения газовой безопасности, а также возможность использования сенсорного модуля в качестве унифицированной единицы при разработке газовых сенсоров и датчиков.
Литература
1) Е.Н. Филиппович, Л.Н. Нажарова, Г.Г. Мингазова. "Покрытия на основе метасиликата натрия". Материалы каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ.
2) Лидин Р.А. и др. "Химические свойства неорганических веществ". Учебное пособие для вузов. М., Химия, 2000.
3) Авторское свидетельство №1495704. И.И. Бакаев, А.Г. Бондаренко, О.П. Ситникова. "Сравнительный элемент термохимического датчика".
4) Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева "Палладий: химия, технология и применение", №4 (2006)
5) Ливингстон С. "Химия рутения, родия, палладия, осмия, иридия, платины". М., Мир, 1978.
Claims (1)
- Термокаталитический сенсорный модуль для обнаружения водорода, содержащий измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие из гамма-оксида алюминия, имеющее шарообразную форму, отличающийся тем, что поверхность гамма-оксида алюминия измерительного элемента активирована палладиевым катализатором, а поверхность гамма-оксида алюминия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016132298U RU167397U1 (ru) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Термокаталитический сенсорный модуль |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016132298U RU167397U1 (ru) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Термокаталитический сенсорный модуль |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU167397U1 true RU167397U1 (ru) | 2017-01-10 |
Family
ID=58451956
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016132298U RU167397U1 (ru) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Термокаталитический сенсорный модуль |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU167397U1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173647U1 (ru) * | 2017-03-16 | 2017-09-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точной механики" | Полупроводниковый сенсорный модуль с легированным газочувствительным слоем |
RU196424U1 (ru) * | 2019-08-23 | 2020-02-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точной механики" | Термокаталитический газовый сенсор для селективного обнаружения водорода |
RU201867U1 (ru) * | 2020-08-14 | 2021-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРИС" | Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов |
RU205698U1 (ru) * | 2021-06-20 | 2021-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРИС" | Термокаталитический сенсор для определения углеводородов и водородов |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050230246A1 (en) * | 2004-04-20 | 2005-10-20 | Lemaster David E | Gas sensor and methods using the same |
RU48639U1 (ru) * | 2005-04-12 | 2005-10-27 | Научно-производственное закрытое акционерное общество "ГАЛУС" | Термокаталитический сенсор |
US20090159445A1 (en) * | 2007-12-20 | 2009-06-25 | General Electric Company | Gas sensor and method of making |
EP2110661A1 (en) * | 2007-02-02 | 2009-10-21 | Gunze Limited | Hydrogen gas sensor |
RU2460064C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Способ изготовления чувствительного каталитического элемента термохимического датчика |
-
2016
- 2016-08-04 RU RU2016132298U patent/RU167397U1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050230246A1 (en) * | 2004-04-20 | 2005-10-20 | Lemaster David E | Gas sensor and methods using the same |
RU48639U1 (ru) * | 2005-04-12 | 2005-10-27 | Научно-производственное закрытое акционерное общество "ГАЛУС" | Термокаталитический сенсор |
EP2110661A1 (en) * | 2007-02-02 | 2009-10-21 | Gunze Limited | Hydrogen gas sensor |
US20090159445A1 (en) * | 2007-12-20 | 2009-06-25 | General Electric Company | Gas sensor and method of making |
RU2460064C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Способ изготовления чувствительного каталитического элемента термохимического датчика |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173647U1 (ru) * | 2017-03-16 | 2017-09-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точной механики" | Полупроводниковый сенсорный модуль с легированным газочувствительным слоем |
RU196424U1 (ru) * | 2019-08-23 | 2020-02-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точной механики" | Термокаталитический газовый сенсор для селективного обнаружения водорода |
RU201867U1 (ru) * | 2020-08-14 | 2021-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРИС" | Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов |
RU205698U1 (ru) * | 2021-06-20 | 2021-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРИС" | Термокаталитический сенсор для определения углеводородов и водородов |
RU205698U9 (ru) * | 2021-06-20 | 2021-12-08 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРИС" | Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов и водородов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU167397U1 (ru) | Термокаталитический сенсорный модуль | |
EP1151285B1 (en) | Gas sensor | |
Bjorkqvist et al. | Studies on hysteresis reduction in thermally carbonized porous silicon humidity sensor | |
Ivanov et al. | Investigation of catalytic hydrogen sensors with platinum group catalysts | |
US4745796A (en) | Membrane-selective vapor sensing | |
Bíró et al. | ALD nano-catalyst for micro-calorimetric detection of hydrocarbons | |
US10761040B2 (en) | Planar thermocatalytic sensor of combustable gases and vapours | |
Fedorenko et al. | Oxide nanomaterials based on SnO2 for semiconductor hydrogen sensors | |
US4111658A (en) | Catalytic gas detectors | |
JP2002052338A (ja) | シリコーンガス吸着剤及びガスフィルタ及びガスセンサ | |
JP6537154B2 (ja) | ガスセンサ | |
Hao et al. | A novel catalytic-type gas sensor based on alumina ceramic substrates loaded with catalysts and printed electrodes | |
RU196424U1 (ru) | Термокаталитический газовый сенсор для селективного обнаружения водорода | |
CN108139373A (zh) | 电化学传感器 | |
RU201867U1 (ru) | Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов | |
JPH10115597A (ja) | ガスセンサ | |
US3522732A (en) | Sensing element for hygrometers | |
JPH0433387B2 (ru) | ||
Su et al. | A microfabricated amperometric moisture sensor | |
JPH11101766A (ja) | 感湿センサ | |
RU2531022C2 (ru) | Способ детектирования метана в воздухе | |
GB2208006A (en) | Gas sensing device | |
RU2460064C1 (ru) | Способ изготовления чувствительного каталитического элемента термохимического датчика | |
RU173647U1 (ru) | Полупроводниковый сенсорный модуль с легированным газочувствительным слоем | |
Harris et al. | Determination of Traces of Water Vapor in Gases |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20170219 |
|
NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20180315 |