RU187673U1 - Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве - Google Patents
Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве Download PDFInfo
- Publication number
- RU187673U1 RU187673U1 RU2018132435U RU2018132435U RU187673U1 RU 187673 U1 RU187673 U1 RU 187673U1 RU 2018132435 U RU2018132435 U RU 2018132435U RU 2018132435 U RU2018132435 U RU 2018132435U RU 187673 U1 RU187673 U1 RU 187673U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- melt
- tablets
- solid electrolyte
- hydrogen
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 27
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000012491 analyte Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 208000018459 dissociative disease Diseases 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
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
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Полезная модель направлена на проведение прямых измерений содержания водорода непосредственно в жидком металле без разрушения его конструктивных элементов, на упрощение конструкции сенсора и технологии его изготовления. Сенсор содержит корпус, герметично соединенный с чувствительным элементом, включающим твердый электролит и соединенные с ним измерительный и эталонный электроды с токосъемниками. Согласно изобретению чувствительный элемент представляет собой две таблетки из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием полости, при этом одна из таблеток имеет капилляр, на противоположных поверхностях таблетки с капилляром нанесены пористые платиновые электроды с токосъемниками, а на внутренней поверхности другой таблетки имеется платиновый электрод с токосъемником, при этом корпус сенсора имеет отверстия для газообмена с атмосферой над расплавом, выполненные выше предполагаемого зеркала анализируемого расплава. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к аналитической технике, в частности к сенсорам, позволяющим анализировать расплавленный метал на содержание в нем водорода.
Предшествующий уровень техники
Известен датчик водорода в жидких и газовых средах (RU 2574423, публ. 10.02.2016) [1]. Датчик содержит селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента. В датчике обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Вверху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость заполнена герметиком, представляющим собой ситалл.
Принцип действия данного датчика основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием датчика кислорода на основе твердого оксидного электролита. При размещении датчика водорода в исследуемой среде водород, содержащийся в ней, через селективную мембрану обратимо диффундирует в паро-водородную камеру, изменяя ЭДС датчика. А сама ЭДС возникает за счет разности парциальных давлений кислорода на электродах гальванического концентрационного элемента.
Недостатком известного датчика является сложность конструкции, имеющей большое число сочленений элементов из разных материалов между собой. При этом главным недостатком является то, что датчик осуществляет косвенное измерение водорода посредством кислородного датчика с крайне зависимым от колебаний температуры потенциалом парогазового эталонного электрода.
Наиболее близким к предлагаемому решению является электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах (RU 2120624, публ. 20.10.1998) [2]. Датчик содержит корпус, герметично соединенный с помощью металла с твердоэлектролитным датчиком кислорода. Датчик состоит из керамического изолятора, закрытого в нижней части пробкой из твердого электролита, пористого платинового электрода, нанесенного на внешнюю сторону пробки, жидкого металлооксидного эталонного электрода, размещенного с внутренней стороны пробки, а также термопары-токоподвода, закрепленной в крышке, закрывающей сверху керамический изолятор. К нижней части корпуса приварена селективная мембрана, выполненная в виде гофрированного стакана. Между селективной мембранной и пробкой твердого электролита установлена таблетка из пористого электроизоляционного оксида.
Принцип работы данного устройства заключается в измерении ЭДС, которая является следствием изменения отношения РН2О/РН2 и, как следствие, термодинамического потенциала кислорода согласно реакции диссоциации воды H2O (газ) → Н2 (газ)+1/2 O2 (газ), а также диффузии водорода через селективную мембрану в герметичный объем между селективной мембраной и торцом платинового электрода. Особенностью работы датчика является стабилизация парциального давления паров воды в измерительном корпусе, которое ведет к увеличению чувствительности и снижению инерционности. Заданное парциальное давление водяного пара, в диапазоне 0,1-300 Па, создается путем прокачки через электрохимический датчик кислорода атомарного кислорода из эталонного металлооксидного электрода за счет изменения полярности потенциала величиной 1,2 В на кислородной электрохимической ячейке. С помощью данного датчика можно проводить измерения парциального давления водорода от 5⋅10-4 до 3 МПа в смесях коррозийно-агрессивных газов и жидкостей в температурном интервале от 300 до 480°С, так как все составляющие материалы датчика являются коррозийно-стойкими.
Недостатками известного датчика являются низкая стойкость мембран по отношению к анализируемому металлическому расплаву, относительно высокая инерционность датчика вследствие увеличенного времени диффузии водорода с внешней стороны мембраны к платиновому электроду, что связано с малым отношением площади поверхности мембраны к внутреннему свободному объему внутри селективной мембраны, а также относительно высокая сложность и стоимость изготовления сенсора.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели заключается в разработке электрохимического сенсора с повышенными эксплуатационными характеристиками, более простой конструкции и технологии изготовления, позволяющего проводить прямые измерения содержания водорода непосредственно в жидком металле.
Для этого электрохимический сенсор содержит корпус, герметично соединенный с чувствительным элементом, состоящим из двух таблеток из твердого электролита, обладающих протонной проводимостью, таблетки герметично соединены между собой с образованием полости. Одна из таблеток имеет капилляр, который выполняет функцию диффузионного барьера. На противоположных поверхностях таблетки с капилляром нанесены пористые платиновые электроды с токосъемниками. Эта таблетка является водородным насосом и обеспечивает накачку водорода в полость сенсора. Вторая таблетка такого же состава имеет один платиновый электрод с токосъемником на внутренней поверхности и является потенциометрической концентрационной ячейкой. Корпус электрохимического сенсора имеет отверстия, которые находятся выше уровня погружения сенсора в анализируемый расплав металла и обеспечивают газообмен с атмосферой над расплавом.
В отличие от известного сенсора, содержащего селективную мембрану в виде гофрированного стакана из сплава никеля или палладия, установленную с зазором между дном стакана и торцом платинового электрода, которая при погружении в расплав в режиме измерений с той или иной скоростью будет растворяться в металлическом расплаве, при использовании заявленного сенсора в контакт с расплавом вступают таблетки из твердого электролита, стойкого к металлическим расплавам.
Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в возможности сенсора проводить прямые измерения содержания водорода непосредственно в жидком металле без разрушения его конструктивных элементов, в упрощении конструкции сенсора и технологии его изготовления.
Краткое описание чертежей
Полезная модель иллюстрируется рисунком, на котором изображен заявляемый сенсор.
Осуществление полезной модели
Электрохимический твердоэлектролитный сенсор содержит трубчатый металлический корпус 1, на котором с помощью:
высокотемпературной обмазки 2 герметично закреплены склеенные таблетки 3 и 4, выполненные из твердого электролита с протонной проводимостью. На противоположных поверхностях таблетки 3 находится наружный электрод 5 с токосъемником 6 и внутренний электрод 7 с токосъемником 8. Таблетка 3 с электродами и токосъемниками образует водородный насос. На таблетке 4 находится эталонный платиновый электрод 9 с токосъемником 10. Таблетки герметизированы стеклом 11 и образуют полость 12. Поскольку обе таблетки выполнены из твердого электролита одинакового состава, коэффициент термического расширения у них одинаков, что значительно упрощает подбор стекла-герметика и технологию склеивания твердоэлектролитных таблеток между собой. В таблетку 3 вклеен капилляр 13, герметично закрепленный стеклом 14. В корпусе 1 выполнены отверстия 15 для газообмена с атмосферой, выполненные выше предполагаемого зеркала анализируемого расплава.
В режиме измерения сенсор погружают в анализируемый металлический расплав, при этом отверстия 15 должны находиться над анализируемым расплавом. Под действием напряжения, приложенного от внешнего источника постоянного тока к электродам 5 и 7 таблетки 3, водород из газовой атмосферы, находящейся над расплавом и поступающим через отверстия 15, начинает перекачиваться во внутреннюю полость 12 сенсора. При превышении давления водорода во внутренней полости 12 сенсора выше атмосферного, избыточный водород сбрасывается через капилляр 13 в атмосферу. Таким образом, во внутренней полости 12 всегда будет находиться чистый водород, который и будет определять величину потенциала эталонного электрода 9. Измерительным электродом является сам анализируемый расплав, омывающий поверхность таблетки 4, а токосъемником с измерительного электрода служит металлический корпус 1.
Разность потенциалов между электродами 9 и измерительным электродом (расплав металла) будет определять, в соответствии с уравнением Нернста, активность водорода в анализируемом металлическом расплаве:
где Е - разность потенциалов между эталонным и измерительным электродами (Мв);
n - валентность кислорода, равная 2;
F - постоянная Фарадея (964 96 К);
Т - температура расплава в градусах Кельвина;
R - газовая постоянная (1,9873 кал/град *моль);
[Н2] (эталон.эл-д) - концентрация водорода на эталонном электроде;
[аН2] (измерит.эл-д) - активность водорода в анализируемом расплаве.
Т.к. в полости сенсора накачен чистый водород, то [Н2] (эталон.эл-д) равна 1.
Таким образом, заявленный электрохимический сенсор обладает повышенными эксплуатационными характеристиками, позволяющими проводить прямые измерения содержания водорода непосредственно в жидком металле, при этом является более простым по конструкции и технологии изготовления.
Claims (1)
- Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве, содержащий корпус, герметично соединенный с чувствительным элементом, включающим твердый электролит и соединенные с ним измерительный и эталонный электроды с токосъемниками, отличающийся тем, что чувствительный элемент представляет собой две таблетки из протонпроводящего твердого электролита, герметично соединенные между собой с образованием полости, при этом одна из таблеток имеет капилляр, на противоположных поверхностях таблетки с капилляром нанесены пористые платиновые электроды с токосъемниками, а на внутренней поверхности другой таблетки имеется платиновый электрод с токосъемником, при этом корпус сенсора имеет отверстия для газообмена с атмосферой над расплавом, выполненные выше предполагаемого зеркала анализируемого расплава.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018132435U RU187673U1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018132435U RU187673U1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU187673U1 true RU187673U1 (ru) | 2019-03-14 |
Family
ID=65759217
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018132435U RU187673U1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU187673U1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04283655A (ja) * | 1991-03-12 | 1992-10-08 | Tokyo Yogyo Co Ltd | 溶融金属中の水素濃度測定用センサプローブ |
| RU2120624C1 (ru) * | 1997-07-21 | 1998-10-20 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
| RU2334979C1 (ru) * | 2007-02-01 | 2008-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский Институт Научно-производственное объединение "Луч" (ФГУП НИИ НПО "Луч") | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах |
| JP2009139106A (ja) * | 2007-12-03 | 2009-06-25 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 水素検知素子 |
-
2018
- 2018-09-12 RU RU2018132435U patent/RU187673U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04283655A (ja) * | 1991-03-12 | 1992-10-08 | Tokyo Yogyo Co Ltd | 溶融金属中の水素濃度測定用センサプローブ |
| RU2120624C1 (ru) * | 1997-07-21 | 1998-10-20 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
| RU2334979C1 (ru) * | 2007-02-01 | 2008-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский Институт Научно-производственное объединение "Луч" (ФГУП НИИ НПО "Луч") | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах |
| JP2009139106A (ja) * | 2007-12-03 | 2009-06-25 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 水素検知素子 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200300808A1 (en) | Potentiometric sensor | |
| US8535499B2 (en) | Microfabricated liquid-junction reference electrode | |
| Haaland | Internal-reference solid-electrolyte oxygen sensor | |
| RU2379672C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU187673U1 (ru) | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве | |
| RU2483298C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода и кислорода в газовых смесях | |
| RU2490623C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| RU2654389C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях | |
| US6129824A (en) | Electrochemical sensor for the detection of hydrogen chloride | |
| JP5818576B2 (ja) | 電気化学式酸素センサおよびガス検知器 | |
| JP4115014B2 (ja) | 水素ガスセンサ | |
| RU2602757C2 (ru) | Датчик водорода в газовых средах | |
| RU2120624C1 (ru) | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах | |
| RU2683134C1 (ru) | Твердоэлектролитный потенциометрический датчик для анализа влажности воздуха и малых концентраций водорода | |
| RU2755639C1 (ru) | Амперометрический способ измерения содержания монооксида углерода в инертных газах | |
| RU189631U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях | |
| US20080116083A1 (en) | Electrochemical gas sensor with at least one punctiform measuring electrode | |
| JPS60501872A (ja) | 空気−燃料比の拡張した範囲の測定 | |
| TW533305B (en) | Electro-chemical type gas detector | |
| RU2583162C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации аммиака в азоте | |
| Chen et al. | Study on Polarization Parameters of Micro Dissolved Oxygen Sensor | |
| US10962502B2 (en) | Hydrogen detector for gas and fluid media | |
| JP2003028832A (ja) | ガス濃度検出器 | |
| JP2000146898A (ja) | 電気化学式センサー |