RU189631U1 - Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях - Google Patents
Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях Download PDFInfo
- Publication number
- RU189631U1 RU189631U1 RU2019107530U RU2019107530U RU189631U1 RU 189631 U1 RU189631 U1 RU 189631U1 RU 2019107530 U RU2019107530 U RU 2019107530U RU 2019107530 U RU2019107530 U RU 2019107530U RU 189631 U1 RU189631 U1 RU 189631U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oxygen
- measuring
- gas
- hydrogen
- sensor
- 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
- G01N27/403—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
- G01N27/41—Oxygen pumping cells
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
Использование: для измерения концентрации кислорода, водорода в инертных и защитных газовых смесях. Сущность полезной модели заключается в том, что сенсор состоит из протонной и кислородной электрохимических ячеек, каждая из которых имеет измерительный и эталонный электроды, при этом водородная ячейка представляет собой два, склеенных между собой диска из протонопроводящего твердого электролита, один из дисков имеет полость, соединенную с капилляром, снаружи этого диска и внутри полости размещены электроды, другой диск газоплотным стеклом приклеен к твердоэлектролитной пробирке, являющейся кислородной электрохимической ячейкой, внутри пробирки расположен эталонный электрод из смеси металл-металлоксид, а снаружи – измерительный электрод. Технический результат: обеспечение возможности одновременного измерения содержания кислорода и водорода в газовых смесях без использования эталонного газа.
Description
Полезная модель относится к аналитической технике, в частности к сенсорам для анализа газовых сред и может быть использовано для измерения концентрации кислорода, водорода в инертных и защитных газовых смесях.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому сенсору является твердоэлектролитный датчик для измерения кислорода в газах и металлических расплавах, известный из RU № 2489711, публ.10.08.2013. Этот датчик содержит твердоэлектролитную пробирку из кислородопроводящего твердого электролита, внутренний эталонный электрод с токосъемником, наружный газовый измерительный электрод, расположенный в средней части наружной поверхности пробирки, при этом пробирка герметично термостойким герметиком присоединена к защитному чехлу со сквозными окнами для прохождения анализируемого газа к поверхности измерительного электрода, служащему наружным токосъемником.
Перед погружением в расплав, датчик прогревается в газовой среде и достигает температуры анализируемого расплава. На эталонном электроде датчика устанавливается равновесный кислородный потенциал, соответствующий парциальному давлению кислорода в эталонном газе, например, воздухе. Между эталонным электродом и расплавом устанавливается, а также между эталонным электродом и дополнительным измерительным электродом возникает разность потенциалов, измерив которую, можно определить, как активность кислорода в расплавленном металле, так и кислородосодержание газовой атмосферы над расплавом.
Таким образом, известный датчик представляет собой кислородную электрохимическую ячейку с эталонным и измерительным электродами, который можно использовать для измерения кислорода в анализируемых средах. Однако для контроля инертных, защитных и окислительных атмосфер необходимо контролировать в них и величину парциального давления водорода. Кроме того, использование для измерений эталонного газа требует подвода газовой магистрали с эталонным газом, обеспечения его чистоты и поддержания стабильного расхода.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании сенсора, способного одновременно измерять, как содержание кислорода в газовых смесях, так и содержание водорода в них, причем без использования эталонного газа.
Для этого предложен сенсор, который, как и прототип, содержит твердоэлектролитную пробирку из кислородопроводящего электролита, а также измерительный и эталонный электроды. Сенсор отличается тем, что состоит из протонной и кислородной электрохимических ячеек, каждая из которых имеет измерительный и эталонный электроды, при этом протонная ячейка представляет собой два, склеенных между собой диска из протонопроводящего твердого электролита, один из которых имеет полость, соединенную с капилляром, снаружи этого диска и внутри полости размещены электроды, другой диск газоплотным стеклом приклеен к твердоэлектролитной пробирке, являющейся кислородной электрохимической ячейкой, при этом внутри пробирки расположен эталонный электрод из смеси металл-металлоксид, а снаружи – измерительный электрод.
Таким образом, заявленный сенсор состоит из соединенных между собой протонной и кислородной электрохимических ячеек; потенциометрической на основе кислородопроводящего твердого электролита и амперометрической на основе протонопроводящего твердого электролита. Обе ячейки склеены газоплотным стеклом и представляют конструкцию сенсора с разделенными газовыми пространствами, имеющего форму пробирки.
Эталонный электрод кислородной ячейки выполнен из смеси Ме+МехОу, заменяющей эталонный газ и обеспечивающей стабильное значение парциального давления кислорода на эталонном электроде при стабильной температуре в соответствии с уравнением:
ХМе+УО2=МехОу (1)
В процессе измерений сенсор погружается в поток анализируемого газа нагретого до известной температуры в пределах 550-700оС. На электроды диска из протонопроводящего электролита подается напряжение постоянного тока с таким расчетом, что минус подается на наружный электрод, а плюс - на внутренний электрод диска. Анализируемый газ, поступающий в полость протонной ячейки через капилляр, за счет диффузии омывает внутренний электрод этой ячейки. За счет приложенного к протонной ячейке напряжения, водород, находящийся в анализируемом газе, откачивается из полости этой ячейки. С увеличением подаваемого напряжения растет и ток откачки. При достижении равновесия, когда количество водорода, поступающего в полость протонной ячейки через капилляр, и количество откачиваемого через твердый электролит водорода сравняются, появляется предельный ток, который не меняется при дальнейшем повышении напряжения. По величине измеренного предельного тока определяется концентрация водорода в анализируемом газе в соответствии с уравнением:
где DH2 – коэффициент диффузии водорода в азоте, см2/сек;
S – диаметр канала капилляра, м; L – длина капилляра, м;
Р – давление анализируемого газа, Па; Т – температура анализируемого газа, оК.
Электрохимическая цепь кислородной ячейки имеет вид:
Pt/ Ме,МехОу/ кислородопроводящий твердый электролит/анализируемый газ/Pt. (3)
При погружении сенсора в анализируемый газ за счет разности кислородных потенциалов между эталонным (внутренним) электродом и измерительным наружным электродом генерируется ЭДС, величина которой рассчитывается по уравнению Нернста:
Е – ЭДС кислородной ячейки сенсора, В;
4F – количество электричества, необходимое для переноса одного моля кислорода, кулон/моль;
T – температура анализируемого газа в градусах Кельвина;
R – газовая постоянная ( 1,9873 кал/град *моль).
При этом для кислородной ячейки эталонный газ не требуется, т.к. его функцию выполняет смесь Ме+МехОу, имеющая при конкретной температуре определенную величину парциального давления кислорода. Так, для смеси Ni+NiO при температуре 600оС парциальное давление кислорода составляет 6,5Е-18%.
Новый технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении эксплуатационных возможностей электрохимических твердоэлектролитных сенсоров и в повышении степени их универсальности.
Полезная модель иллюстрируется рисунком, на котором представлен заявляемый сенсор. Сенсор содержит кислородную ячейку, состоящую из пробирки 1 из кислородопроводящего твердого электролита с нанесенным на ее наружную поверхность измерительным электродом 2, находящегося внутри пробирки эталонного электрода 3 состава Ме+МехОу, стекла – герметика 4, предусмотренного для изоляции эталонного электрода 3 от воздействия окружающей среды. Протонная ячейка состоит из склеенных между собой дисков из протонопроводящего твердого электролита; диска 5 и диска 6, имеющего полость 7, соединенную с капилляром 8. Снаружи диска 6 размещен электрод 9, а внутри полости 7 – электрод 10. Диск 5 газоплотным стеклом 11 приклеен к твердоэлектролитной пробирке 1.
Измерение величины предельного тока протонной ячейки между электродами 9 и 10 обеспечивает амперметр А, а измерение кислородного потенциала кислородной ячейки между измерительным электродом 2 и эталонным электродом 3 – потенциометр U.
Для работы сенсора его необходимо поместить в термостат с температурой 550-700оС. Анализируемый газ омывает сенсор. В полость 7 протонной ячейки за счет диффузии поступает анализируемый газ. От источника постоянного тока на электроды 9 и 10 протонной ячейки подается напряжение, достаточное для получения предельного тока. При этом водород из полости 7 откачивается из полости в поток анализируемого газа. По величине полученного предельного тока в соответствии с уравнением (2) определяется концентрация водорода в анализируемом газе. На кислородной ячейке анализируемый газ омывает наружную поверхность пробирки 1 и измерительных электродов 2. При этом между эталонным электродом 3 и измерительными электродами 2 генерируется ЭДС (U), по величине которой, в соответствии с уравнением (4) рассчитывается парциальное давление кислорода в анализируемом газе.
Таким образом, заявленный сенсор может использоваться для исследования газовых сред для одновременного измерения, как содержания кислорода в газовой среде, так и содержания в ней водорода, причем без использования эталонных газов.
Claims (1)
- Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в газовых смесях, содержащий твердоэлектролитную пробирку из кислородопроводящего электролита, а также измерительный и эталонный электроды, отличающийся тем, что сенсор состоит из протонной и кислородной электрохимических ячеек, каждая из которых имеет измерительный и эталонный электроды, при этом водородная ячейка представляет собой два, склеенных между собой диска из протонопроводящего твердого электролита, один из дисков имеет полость, соединенную с капилляром, снаружи этого диска и внутри полости размещены электроды, другой диск газоплотным стеклом приклеен к твердоэлектролитной пробирке, являющейся кислородной электрохимической ячейкой, внутри пробирки расположен эталонный электрод из смеси металл-металлоксид, а снаружи – измерительный электрод.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107530U RU189631U1 (ru) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107530U RU189631U1 (ru) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU189631U1 true RU189631U1 (ru) | 2019-05-29 |
Family
ID=66792623
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019107530U RU189631U1 (ru) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU189631U1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6238535B1 (en) * | 1998-04-06 | 2001-05-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Hydrocarbon sensor |
US20030221975A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-04 | Denso Corporation | Hydrogen-containing gas measurement sensor element and measuring method using same |
RU2483298C1 (ru) * | 2011-11-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода и кислорода в газовых смесях |
RU2532139C1 (ru) * | 2013-04-25 | 2014-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ измерения кислорода в газовых средах |
RU2654389C1 (ru) * | 2017-04-20 | 2018-05-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях |
-
2019
- 2019-03-18 RU RU2019107530U patent/RU189631U1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6238535B1 (en) * | 1998-04-06 | 2001-05-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Hydrocarbon sensor |
US20030221975A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-04 | Denso Corporation | Hydrogen-containing gas measurement sensor element and measuring method using same |
RU2483298C1 (ru) * | 2011-11-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода и кислорода в газовых смесях |
RU2532139C1 (ru) * | 2013-04-25 | 2014-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ измерения кислорода в газовых средах |
RU2654389C1 (ru) * | 2017-04-20 | 2018-05-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3981785A (en) | Electrochemical sensor for reactive gas mixtures | |
JPS5926895B2 (ja) | 監視されたガス環境中の所定のガス成分の分圧を測定する装置 | |
Haaland | Internal-reference solid-electrolyte oxygen sensor | |
US4948496A (en) | Gas sensor | |
RU189631U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях | |
Schelter et al. | Highly selective solid electrolyte sensor for the analysis of gaseous mixtures | |
RU2483298C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода и кислорода в газовых смесях | |
RU188416U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей | |
RU2654389C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях | |
RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
US4952300A (en) | Multiparameter analytical electrode structure and method of measurement | |
RU2490623C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
RU189090U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях | |
RU2755639C1 (ru) | Амперометрический способ измерения содержания монооксида углерода в инертных газах | |
RU2138799C1 (ru) | Газоанализатор | |
RU51228U1 (ru) | Датчик газоанализатора кислорода | |
RU2780308C1 (ru) | Потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка | |
RU2489711C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах | |
RU2752801C1 (ru) | Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом | |
RU191013U9 (ru) | Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности | |
Qi et al. | Study of digital dissolved oxygen analytical sensor of ppb-level | |
RU187673U1 (ru) | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве | |
RU2735628C1 (ru) | Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси | |
RU2779253C1 (ru) | Способ определения концентрации монооксида и диоксида углерода в анализируемой газовой смеси с азотом | |
RU2750136C1 (ru) | Способ определения ионного числа переноса твердых электролитов с протонной проводимостью |