RU188416U1 - Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей - Google Patents
Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей Download PDFInfo
- Publication number
- RU188416U1 RU188416U1 RU2018144285U RU2018144285U RU188416U1 RU 188416 U1 RU188416 U1 RU 188416U1 RU 2018144285 U RU2018144285 U RU 2018144285U RU 2018144285 U RU2018144285 U RU 2018144285U RU 188416 U1 RU188416 U1 RU 188416U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oxygen
- gas
- hydrogen
- tablet
- electrodes
- Prior art date
Links
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
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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 относится к аналитической технике, в частности к сенсорам для анализа газовых сред, и может быть использована для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности в газовых смесях различного состава. Сенсор содержит таблетку из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами, нанесенными на ее противоположные поверхности, к таблетке газоплотным стеклом приклеена трубка из кислородопроводящего твердого электролита с образованием полости между одной из поверхностей таблетки и внутренней поверхностью трубки, на стенки трубки внутри и снаружи противоположно друг другу нанесены два электрода, при этом находящиеся в полости внутренние электроды таблетки и трубки являются эталонными, а наружные – измерительными. Tехнический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении технических возможностей электрохимических твердоэлектролитных датчиков.1 ил.
Description
Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей
Полезная модель относится к аналитической технике, в частности к сенсорам для анализа газовых сред и может быть использована для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности в газовых смесях различного состава.
Известна ячейка для реализации способа измерения кислорода в газовых средах (RU 2532139, публ. 27.10.2014) [1]. Ячейка содержит две мембраны из кислородпроводящего твердого электролита, соединенные между собой газоплотным герметиком с образованием внутренней газоплотной полости. На противоположных поверхностях одной из мембран расположены два электрода, выполняющие функцию кислородного насоса. Между мембранами расположен капилляр. На противоположных поверхностях другой мембраны расположены эталонный и измерительный электроды для снятия разности кислородных потенциалов. Ячейку помещают в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность. Под действием напряжения (0,5-1 В), приложенного к электродам через твердый кислородпроводящий электролит, происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость ячейки. В полости накапливается и постоянно поддерживается атмосфера чистого кислорода. Избыточное давление кислорода сбрасывается через капилляр в анализируемый газ. Кислород, находящийся в полости, омывает эталонный электрод и генерирует на нем постоянный кислородный потенциал, соответствующий чистому кислороду. На измерительном электроде генерируется кислородный потенциал, соответствующий кислородосодержанию анализируемого газа. По разности кислородных потенциалов эталонного и измерительного электродов в соответствии с уравнением Нернста рассчитывают содержание кислорода в анализируемом газе. Таким образом, данная ячейка может быть использована только для измерения кислорода в анализируемом газе.
Для измерения водорода в газовых смесях известен твердоэлектролитный датчик (RU 2490623, публ. 20.08.2013) [2]. Сенсор содержит две таблетки из протонпроводящего твердого электролита одинакового химсостава. На противоположных поверхностях одной из таблеток нанесены рабочие электроды. Обе таблетки соединены между собой газоплотным стеклом таким образом, что между ними и соответственно между нанесенными на них электродами, образуется полость. На наружной поверхности другой таблетки, омываемой анализируемым газом, нанесен измерительный электрод, а на ее внутреннюю поверхность - эталонный электрод. На рабочие электроды, работающие в режиме водородного насоса, подается напряжение постоянного тока. В режиме измерения, под действием напряжения, приложенного к рабочим электродам, водород из объема анализируемого газа начинает перекачиваться в полость датчика. При превышении давления водорода в полости датчика над давлением анализируемого газа, избыточный водород за счет неидеальной поверхности твердоэлектролитных таблеток и высокой проницаемости водорода будет стравливаться в анализируемый газ. Таким образом, в полости датчика всегда будет находиться чистый водород, который и будет определять величину потенциала эталонного электрода. Потенциал измерительного электрода будет определяться парциальным давлением водорода в анализируемом газе. По разности потенциалов между измерительным и эталонным электродами, в соответствии с уравнением Нернста, определяют концентрацию водорода в анализируемом газе. По совокупности конструктивных признаков датчик [2], предназначенный для измерения водорода в анализируемом газе, принят в качестве прототипа к заявленному сенсору.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании сенсора, который без изменения его конструкции можно использовать для исследования газовых сред путем измерения в них концентрации кислорода, водорода, а также влажности газовых сред.
Для этого предложен сенсор, который, как и прототип, содержит таблетку из протонпроводящего твердого электролита, а также четыре электрода, два из которых нанесены на противоположные поверхности таблетки. Заявленный сенсор отличается тем, что к таблетке с двумя электродами газоплотным стеклом приклеена трубка из кислородопроводящего твердого электролита с образованием полости между одной из поверхностей таблетки и внутренней поверхностью трубки, на стенки трубки внутри и снаружи противоположно друг другу нанесены два электрода, при этом, находящиеся в полости внутренние электроды таблетки и трубки являются эталонными, а наружные – измерительными.
Заявленный сенсор, содержащий таблетку из протонпроводящего твердого электролита с двумя электродами, нанесенными на ее противоположные поверхности, соединенную с трубкой из кислородопроводящего твердого электролита, на стенки которой внутри и снаружи нанесены электроды, представляет собой протонную и кислородную электрохимические ячейки, работающие в потенциометрическом режиме. Электрохимические ячейки склеены газоплотным стеклом и представляют конструкцию сенсора с разделенными объемами, по форме похожую на пробирку. При этом в процессе измерений находящиеся в полости внутренние электроды таблетки и трубки являются эталонными, они омываются эталонным газом. Наружные электроды протонной и кислородной ячейки являются измерительными электродами и омываются анализируемым газом. В качестве эталонного газа могут быть использованы универсальные газовые смеси: атмосферный воздух с заданной влажностью, а также поверочная газовая смесь H2-N2 с известной концентрацией водорода и заданной влажностью (ПГС).
В случае использования в качестве эталонного газа воздуха с заданной влажностью генерируемая кислородной ячейкой сенсора ЭДС1 в соответствии с уравнением Нернста будет:
где Е – ЭДС1 кислородной ячейки сенсора,
4F – количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, Кл/моль;
T – температура анализируемого газа в градусах Кельвина;
R – газовая постоянная ( 1,9873 кал/град *моль);
Уравнение Нернста для водородной ячейки сенсора в случае использования воздуха с заданной влажностью в качестве эталонного газа будет иметь вид:
Так как эталонным газом является воздух с заданной влажностью, то при известной влажности вследствие диссоциации воды:
Н2О = Н2 +0,5О2 ; | (3) |
образуется водород. Константа реакции диссоциации воды:
тогда
Зная рабочую температуру анализа, парциальное давление кислорода (0,205) и величину заданной влажности эталонного газа в соответствие с уравнениями (2) и (5) можно определить по измеренному значению ЭДС2 сенсора содержание водорода и влажность анализируемой газовой смеси.
В случае использования в качестве эталонного газа ПГС с известной концентрацией водорода, заданной влажностью и температурой генерируемая кислородной ячейкой сенсора ЭДС2 в соответствии с уравнением в соответствие с уравнениями (6) и (7) можно определить по измеренному значению ЭДС2 сенсора содержание кислорода и влажность анализируемой газовой смеси:
при этом концентрация водорода в эталонном газе известна, т.к. используется ПГС, известна температура и влажность.
Так как эталонным газом является ПГС с заданной влажностью, то при известной влажности вследствие диссоциации воды по уравнениям (3 и 4)
Таким образом, используя один и тот же эталонный газ, можно измерять содержание кислорода, водорода в анализируемой газовой смеси, а также ее влажность. Новый технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении технических возможностей электрохимических твердоэлектролитных датчиков.
Полезная модель иллюстрируется рисунком, на котором представлен заявляемый сенсор. Сенсор содержит таблетку 1 из протонопроводящего твердого электролита, к которой газоплотным стеклом 2 приклеена трубка из кислородопроводящего твердого электролита 3. На противоположные поверхности таблетки 1 нанесены электрод 4, который является измерительным водородным электродом, и электрод 5, который в процессе измерений является эталонным водородным электродом. На стенки трубки 3 внутри нанесен электрод 6, который в процессе измерений является измерительным кислородным электродом, а снаружи – электрод 7, который в процессе измерений является эталонным кислородным электродом. В этой конструкции между одной из поверхностей таблетки и внутренней поверхностью трубки сенсор имеет полость 8 для подачи эталонного газа через трубку 9.
Для измерения кислородного потенциала (ЭДС1) между рабочим кислородным электродом 6 и эталонным кислородным электродом 7 сенсор снабжен вольтметром, измеряющим ЭДС1. Вторым вольтметром измеряется водородный потенциал ЭДС2 между рабочим водородным электродом 4 и водородным эталонным электродом 5.
Для проведения измерений с помощью сенсора, в полость 8 нужно подать эталонный газ заданного состава, общий для кислородной и водородной ячеек. Эталонный газ, подаваемый на эталонные электроды 5 и 7, должен иметь известное и стабильное парциальное давление кислорода или водорода и водяного пара. В качестве эталонного газа, как сказано выше, можно использовать воздух с известной влажностью или поверочную газовую смесь состава Н2+ N2 с известной влажностью. Сенсор помещают в термостат с рабочей температурой 600 ÷ 750оС. Анализируемый газ омывает наружную поверхность сенсора, в том числе измерительные электроды 4 и 6. Эталонный газ подается в полость 8 через трубку 9 и омывает кислородный эталонный электрод 7 и водородный эталонный электрод 5. При этом между электродами 6 и 7 будет генерироваться ЭДС 1, соответствующая концентрации кислорода в анализируемом газе, а между электродами 4 и 5 будет генерироваться ЭДС2, соответствующая концентрации водорода в анализируемом газе.
Заявленный сенсор может использоваться для исследования газовых сред путем измерения в них концентрации кислорода, водорода, а также влажности газовых сред.
Claims (1)
- Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности в газовых средах, содержащий таблетку из протонпроводящего твердого электролита, а также четыре электрода, два из которых нанесены на противоположные поверхности таблетки, отличающийся тем, что к таблетке с двумя электродами газоплотным стеклом приклеена трубка из кислородопроводящего твердого электролита с образованием полости между одной из поверхностей таблетки и внутренней поверхностью трубки, на стенки трубки внутри и снаружи противоположно друг другу нанесены два электрода, при этом находящиеся в полости внутренние электроды таблетки и трубки являются эталонными, а наружные – измерительными.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018144285U RU188416U1 (ru) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018144285U RU188416U1 (ru) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU188416U1 true RU188416U1 (ru) | 2019-04-11 |
Family
ID=66168700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018144285U RU188416U1 (ru) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU188416U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU191013U1 (ru) * | 2019-04-24 | 2019-07-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности |
RU2735628C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2020-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4645572A (en) * | 1985-02-23 | 1987-02-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Method of determining concentration of a component in gases and electrochemical device suitable for practicing the method |
RU2483300C1 (ru) * | 2011-11-29 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей |
RU2490623C1 (ru) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях |
RU2583164C1 (ru) * | 2015-03-12 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ измерения влажности воздуха |
US10012611B2 (en) * | 2014-01-24 | 2018-07-03 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor element and gas sensor |
-
2018
- 2018-12-14 RU RU2018144285U patent/RU188416U1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4645572A (en) * | 1985-02-23 | 1987-02-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Method of determining concentration of a component in gases and electrochemical device suitable for practicing the method |
RU2483300C1 (ru) * | 2011-11-29 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей |
RU2490623C1 (ru) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях |
US10012611B2 (en) * | 2014-01-24 | 2018-07-03 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor element and gas sensor |
RU2583164C1 (ru) * | 2015-03-12 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ измерения влажности воздуха |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU191013U1 (ru) * | 2019-04-24 | 2019-07-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности |
RU191013U9 (ru) * | 2019-04-24 | 2020-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности |
RU2735628C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2020-11-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU188416U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей | |
US8608925B2 (en) | Multiple-electrode ionic probe | |
Dixon et al. | The control and measurement of ‘CO2’during fermentations | |
CN206788099U (zh) | 一种可测量电流效率的电化学测试装置 | |
RU2490623C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
RU186174U1 (ru) | Устройство для экспресс-оценки газопроницаемости протонпроводящей мембраны топливного элемента | |
CN111721817A (zh) | 多种气体的耦合干扰误差校正方法和气体传感器装置 | |
RU2532139C1 (ru) | Способ измерения кислорода в газовых средах | |
RU2635711C1 (ru) | Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах | |
RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
CN100363740C (zh) | 一种双固体电解质co2传感器及其制备方法 | |
RU2683134C1 (ru) | Твердоэлектролитный потенциометрический датчик для анализа влажности воздуха и малых концентраций водорода | |
RU2654389C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях | |
CN201222049Y (zh) | 变频型氧传感器 | |
RU2750136C1 (ru) | Способ определения ионного числа переноса твердых электролитов с протонной проводимостью | |
RU63534U1 (ru) | Устройство для измерения концентрации кислорода | |
RU2540450C1 (ru) | Способ измерения кислородосодержания и влажности газа | |
CN101281162A (zh) | 变频型氧传感器 | |
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 | |
RU189090U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях | |
SU371495A1 (ru) | Электрохимический способ анализа газов | |
RU191013U1 (ru) | Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности | |
RU59245U1 (ru) | Устройство для измерения парциального давления кислорода | |
RU2779253C1 (ru) | Способ определения концентрации монооксида и диоксида углерода в анализируемой газовой смеси с азотом |