RU2094792C1 - Solid-electrolyte analyzer - Google Patents
Solid-electrolyte analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2094792C1 RU2094792C1 RU94002359A RU94002359A RU2094792C1 RU 2094792 C1 RU2094792 C1 RU 2094792C1 RU 94002359 A RU94002359 A RU 94002359A RU 94002359 A RU94002359 A RU 94002359A RU 2094792 C1 RU2094792 C1 RU 2094792C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- input
- output
- analyzer according
- adder
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения содержания фтора и фтористого водорода в воздухе или ином газе. The invention relates to the field of measurement technology and can be used to quantify the content of fluorine and hydrogen fluoride in air or another gas.
В газоанализаторах широкое распространение получили электрохимические чувствительные элементы в виде пленочного твердоэлектролитного газочувствительного слоя, нанесенного на подложку, с обратной стороны снабженную нагревателем (см. патент США 4338281, G 01 N 27/04, 1982). In gas analyzers, electrochemical sensitive elements in the form of a film of a solid electrolyte gas-sensitive layer deposited on a substrate, equipped with a heater on the reverse side, are widely used (see US patent 4338281, G 01 N 27/04, 1982).
Чувствительный элемент обычно выполняется с контактами, включенными в цепь источника постоянного напряжения. Проводимость газочувствительного слоя зависит от концентрации фтора в окружающей среде. Нагреватель подключается к блоку питания (см. патент США 5104513, G 01 N 27/407, 1992). The sensing element is usually made with the contacts included in the circuit of the constant voltage source. The conductivity of the gas sensitive layer depends on the concentration of fluorine in the environment. The heater is connected to the power supply (see US patent 5104513, G 01 N 27/407, 1992).
Однако, использование подобных чувствительных элементов для анализа фтора затруднено их низким быстродействием (времена отклика и релаксации измеряются минутами и даже десятками минут). However, the use of such sensitive elements for fluorine analysis is hindered by their low speed (response and relaxation times are measured in minutes and even tens of minutes).
Кроме того, к недостаткам известного газоанализатора следует отнести нелинейность, узкий динамический диапазон, недостаточную точность вследствие сильного влияния влажности и скорости потока воздуха на показания прибора. In addition, the disadvantages of the known gas analyzer include non-linearity, narrow dynamic range, lack of accuracy due to the strong influence of humidity and air flow rate on the readings.
Наиболее близким к предложенному является твердоэлектролитный анализатор, описанный в ЕПВ 0421672, G 01 N 27/406, 1990. Это устройство содержит источник напряжения, чувствительный элемент в виде циркониевой подложки с пористыми электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, датчики температуры и давления, два мультиплексора, усилитель, делитель напряжения, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, блок индикации и центральный процессор. Closest to the proposed is a solid electrolyte analyzer described in EPO 0421672, G 01 N 27/406, 1990. This device contains a voltage source, a sensing element in the form of a zirconium substrate with porous electrodes and a heater connected to the output of the temperature controller, temperature and pressure sensors , two multiplexers, an amplifier, a voltage divider, analog-to-digital and digital-to-analog converters, an indication unit and a central processor.
Этому анализатору свойственны все вышеперечисленные недостатки, кроме нелинейности: линеаризация характеристики осуществляется в процессоре. Однако наличие процессора и двух преобразователей приводит к усложнению устройства и дополнительному снижению точности. This analyzer is characterized by all of the above disadvantages, except for non-linearity: the linearization of the characteristics is carried out in the processor. However, the presence of a processor and two converters leads to complication of the device and an additional decrease in accuracy.
Таким образом техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение быстродействия, точности и линейности твердоэлектролитного анализатора, а также расширения его динамического диапазона при сохранении простоты и надежности в работе. Thus, the technical result expected from the use of the invention is to increase the speed, accuracy and linearity of the solid-state analyzer, as well as expanding its dynamic range while maintaining simplicity and reliability in operation.
Указанный результат достигается тем, что известный твердоэлектролитный анализатор, содержащий источник напряжения, выход которого соединен со входом питания чувствительного элемента, выполненного с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, а также усилитель и блок индикации, снабжен сумматором, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, а чувствительный элемент выполнен из трифторида лантана, легированного дифторидом стронция, при этом выход чувствительного элемента соединен со входом усилителя, выход которого подключен к первому входу сумматора и информационному входу блока памяти, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора и первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, выход блока деления соединен со входом блока линеаризации, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, а выходы блока управления подключены к соответствующим входам блока индикации и блока памяти. This result is achieved by the fact that the known solid-state analyzer containing a voltage source, the output of which is connected to the power input of the sensing element, made with electrodes and a heater connected to the output of the temperature controller, as well as an amplifier and an indication unit, is equipped with an adder, a division unit, a memory unit , a control unit and a linearization unit, and the sensitive element is made of lanthanum trifluoride doped with strontium difluoride, while the output of the sensitive element is connected nen with the input of the amplifier, the output of which is connected to the first input of the adder and the information input of the memory unit, the output of which is connected to the second input of the second adder and the first input of the division unit, the second input of which is connected to the output of the second adder, the output of the division unit is connected to the input of the linearization unit, the output of which is connected to the information input of the display unit, and the outputs of the control unit are connected to the corresponding inputs of the display unit and the memory unit.
Кроме того источник напряжения может быть выполнен в виде источника постоянного напряжения, генератора, мультиплексора и сумматора, входы которого соединены с выходами мультиплексора, информационные входы которого подключены к выходам генератора и источника постоянного напряжения, а управляющий вход мультиплексора соединен с соответствующим выходом блока управления. In addition, the voltage source can be made in the form of a constant voltage source, generator, multiplexer and adder, the inputs of which are connected to the outputs of the multiplexer, the information inputs of which are connected to the outputs of the generator and the constant voltage source, and the control input of the multiplexer is connected to the corresponding output of the control unit.
Целесообразно также второй информационный вход блока индикации соединить с выходом блока деления. It is also advisable to connect the second information input of the display unit to the output of the division unit.
Рекомендуется также четвертый выход блока управления подключить к управляющему входу блока линеаризации. It is also recommended that the fourth output of the control unit be connected to the control input of the linearization unit.
Кроме того, содержание дифторида стронция в газочувствительном слое чувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, может колебаться от 4,35 до 9,64 мол. In addition, the content of strontium difluoride in the gas-sensitive layer of the sensor element, made thin-film, can vary from 4.35 to 9.64 mol.
При этом газочувствительный слой может размещаться на монокристаллической подложке из лейкосапфира. In this case, the gas-sensitive layer can be placed on a single crystal substrate made of leucosapphire.
Целесообразно также электроды к газочувствительному слою выполнять из платины. It is also advisable to make electrodes to the gas-sensitive layer of platinum.
Рекомендуется также нагреватель выполнять из никеля. It is also recommended that the heater be made of nickel.
И, наконец, толщина газочувствительного слоя может составлять 0,12 0,72 мкм. And finally, the thickness of the gas-sensitive layer can be 0.12 0.72 μm.
На фиг. 1 представлена функциональная схема газоанализатора, который включает источник 1 постоянного напряжения, генератор 2 переменного напряжения и\или импульсов, мультиплексор 3, сумматор 4, регулятор 5 температуры, чувствительный элемент 6, регулятор 7 побудителя смеси 8, усилитель 9, блок 10 деления, сумматор 11 (блок вычитания), блок 12 памяти, блок 13 линеаризации, блок 14 индикации и блок 15 управления. Элементы 1-4 образуют источник напряжения; на фиг. 2 схематично изображен чувствительный элемент, содержащий подложку 16, газочувствительный слой 17, платиновые электроды 18 с выводами 19 и нагреватель 20 с выводами 21. Резистор 22 является преобразователем тока в напряжение. In FIG. 1 is a functional diagram of a gas analyzer, which includes a constant voltage source 1, an alternating voltage and / or
На фиг. 1 показаны два выхода генератора 2, хотя их может быть и больше: генератор 2 формирует напряжения различной частоты. In FIG. 1 shows the two outputs of
Коэффициент передачи блока 13 зависит от входного сигнала таким образом, чтобы устранить нелинейность зависимости последнего от содержания фтора в анализируемой смеси. Блок 13 может быть выполнен в виде кусочно-линейного аппроксиматора, обратного логарифмического преобразователя или последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, дешифратора и аналого-цифрового преобразователя. The transmission coefficient of block 13 depends on the input signal in such a way as to eliminate the nonlinearity of the dependence of the latter on the fluorine content in the analyzed mixture. Block 13 can be made in the form of a piecewise-linear approximator, an inverse logarithmic converter, or a series-connected digital-to-analog converter, a decoder, and an analog-to-digital converter.
Выполнение остальных блоков устройства может быть таким же как в известном газоанализаторе или других аналогичных приборах. В частности, блок 15 может быть выполнен автоматическим или полуавтоматическим, так что переключение режима работы мультиплексора 3, синхронизация блока 12, синхронизация и\или вывод информации о режиме в блоке 14 и переключение или подстройка блока 13 производятся оператором с помощью соответствующего пульта или просто набора тумблеров и регуляторов. The implementation of the remaining blocks of the device may be the same as in the known gas analyzer or other similar devices. In particular, block 15 can be performed automatic or semi-automatic, so that the switching of the operating mode of multiplexer 3, synchronization of block 12, synchronization and / or display of information about the mode in block 14, and switching or fine tuning of block 13 are performed by the operator using the appropriate remote control or simply dialing toggle switches and regulators.
В отличие от известных газоанализаторов, газочувствительный слой 17 представляет собой тонкую пленку, нанесенную на подложку 16 в вакууме. Unlike the known gas analyzers, the gas
Газоанализатор работает следующим образом. The gas analyzer operates as follows.
Анализируемая смесь побудителем 8 подается на элемент 6, на поверхности газочувствительного слоя 17 которого происходит разложение фтора или фтористого водорода. При этом в твердом электролите возникают фтор-ионы, дрейфующие под действием приложенного напряжения к положительному электроду. В результате величина тока в цепи источника 1 и/или генератора 2 является мерой содержания фтора в смеси. The analyzed mixture by the stimulator 8 is supplied to the element 6, on the surface of the gas
На выходе элемента 6 устанавливается преобразователь тока в напряжение (или напряжения в ток, если запитка элемента 6 осуществляется стабильным током). В отличие от известных приборов, питание элемента 6 может осуществляться не только постоянным напряжением или током, но также переменным низкочастотным или высокочастотным сигналом или суммой переменного и постоянного напряжений (в последнем случае амплитуда переменного сигнала составляет 0,1 0,8 от величины постоянного). At the output of element 6, a current to voltage (or voltage to current) converter is installed if the element 6 is powered by a stable current). Unlike the known devices, the power of the element 6 can be carried out not only by a constant voltage or current, but also by an alternating low-frequency or high-frequency signal or by the sum of an alternating and constant voltage (in the latter case, the amplitude of the alternating signal is 0.1 0.8 of the constant value).
В блоке 12 хранится нулевое значение выходного сигнала усилителя 11 (в отсутствие фтора в анализируемой смеси), фиксируемое блоком 12 по сигналу с выхода блока 15. Установка нулевого значения может производиться один раз за смену или каждый раз перед замером. В качестве блока 12 можно воспользоваться блоком выборки-хранения или последовательно соединенными цифро-аналоговым преобразователем, регистром и аналого-цифровым преобразователем. При этом тактовый вход регистра соединяется с управляющим входом блока 12. In block 12, the zero value of the output signal of amplifier 11 is stored (in the absence of fluorine in the analyzed mixture), recorded by block 12 by the signal from the output of block 15. Zero value can be set once per shift or each time before measurement. As block 12, you can use the block sampling-storage or series-connected digital-to-analog Converter, register and analog-to-digital Converter. In this case, the clock input of the register is connected to the control input of block 12.
В блоке 11 из текущего информационного сигнала вычитается упомянутый нулевой сигнал, а в блоке 10 полученная разность делится на нулевой сигнал. Частное от деления поступает на вход блока 13 или непосредственно на вход блока 14 (как привило, это целесообразно при запитке элемента 6 переменным напряжением или в случае отсутствия информации о градуировочной зависимости в блоке 13). In block 11, the said zero signal is subtracted from the current information signal, and in block 10, the resulting difference is divided by the zero signal. The quotient from the division goes to the input of block 13 or directly to the input of block 14 (as a rule, this is advisable when feeding element 6 with alternating voltage or in the absence of information about the calibration dependence in block 13).
Описанная схема преобразования информационного сигнала обеспечивает расширение динамического диапазона и линеаризацию выходного сигнала простейшими средствами. В то же время, использование поочередной запитки постоянным и переменным напряжением, только переменного напряжения или применение смешанного сигнала позволяет отстроиться от ряда мешающих факторов, в частности нестабильности электродных потенциалов, а также получить избыточную информацию, которая может быть использована для повышения точности и достоверности результата измерения, например, путем усреднения замеров в блоке 14. The described scheme for converting the information signal provides an extension of the dynamic range and linearization of the output signal by simple means. At the same time, the use of alternating voltage and alternating voltage supply, only alternating voltage or the use of a mixed signal allows you to tune away from a number of interfering factors, in particular the instability of the electrode potentials, as well as to obtain redundant information that can be used to increase the accuracy and reliability of the measurement result , for example, by averaging the measurements in block 14.
Реализации указанных преимуществ, а также повышению чувствительности и, главное, быстродействия газоанализатора способствует также вышеописанный выбор материала газочувствительного слоя элемента 6. При этом достигается высокая фтор-ионная проводимость по вакансионному механизму и низкая температура плавления подрешетки фтора (80 120oС). Снижение же рабочей температуры элемента 6 позволяет не только упростить устройство и уменьшить потребление энергии, что весьма важно для носимых приборов с автономными источниками питания, но и снизить влияние нестабильности расхода анализируемой смеси.The above-mentioned choice of the material of the gas-sensitive layer of element 6 also contributes to the realization of these advantages, as well as to the increase in sensitivity and, most importantly, the speed of the gas analyzer. In this case, a high fluorine-ion conductivity by the vacancy mechanism and a low melting point of the fluorine sublattice (80 120 o С) are achieved. Lowering the working temperature of element 6 allows not only to simplify the device and reduce energy consumption, which is very important for wearable devices with autonomous power sources, but also to reduce the effect of instability in the flow rate of the analyzed mixture.
Экспериментальная проверка показала, что прибор способен измерять концентрацию фтора от 0,1 до 1000 ppm, причем время установления составляет всего 180 с, а время релаксации не превышает 5 мин при концентрации фтористого водорода 0,5 ppm без учета транспортного запаздывания. Experimental verification showed that the device is capable of measuring a fluorine concentration from 0.1 to 1000 ppm, and the settling time is only 180 s, and the relaxation time does not exceed 5 minutes at a concentration of hydrogen fluoride of 0.5 ppm without taking into account transport delay.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94002359A RU2094792C1 (en) | 1994-01-24 | 1994-01-24 | Solid-electrolyte analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94002359A RU2094792C1 (en) | 1994-01-24 | 1994-01-24 | Solid-electrolyte analyzer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94002359A RU94002359A (en) | 1996-01-20 |
| RU2094792C1 true RU2094792C1 (en) | 1997-10-27 |
Family
ID=20151703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94002359A RU2094792C1 (en) | 1994-01-24 | 1994-01-24 | Solid-electrolyte analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2094792C1 (en) |
-
1994
- 1994-01-24 RU RU94002359A patent/RU2094792C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US, патент, 5104513, кл.G 01N 27/407, 1992. ЕР, патент, 0421672, кл.G 01N 27/406, 1990. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| USRE30007E (en) | Hematocrit measurements by electrical conductivity | |
| JPS634660B2 (en) | ||
| US4152233A (en) | Apparatus for electrochemical gas detection and measurement | |
| Bongenaar et al. | A high-precision network analyzer system for the measurement of the electrode impedance of both stationary and non-stationary electrode, with special attention to the dropping mercury electrode | |
| US3635681A (en) | Differential conductivity-measuring apparatus | |
| EP0145073B1 (en) | Gas analysis apparatus | |
| RU2094792C1 (en) | Solid-electrolyte analyzer | |
| RU2094794C1 (en) | Gas generator | |
| RU2094791C1 (en) | Calibrated solid-electrolyte analyzer | |
| US4321544A (en) | Method and improved apparatus for obtaining temperature-corrected readings of ion levels and readings of solution temperature | |
| GB1500584A (en) | Method and apparatus for determining the moisture content of different kinds of materials | |
| US4040931A (en) | Corrosion ratemeter | |
| WO1983001687A1 (en) | Pulsed electro-analysis | |
| WO1985000659A1 (en) | Measuring an extended range of air fuel ratio | |
| Frazzini et al. | A digital integrator for controlled-potential coulometry | |
| EP0108141A1 (en) | Oxygen analyzer | |
| JPH02128155A (en) | Oxygen sensor | |
| GB2023844A (en) | Method and apparatus for the thermally stabilised measurement of small amounts of liquid | |
| RU2188411C1 (en) | Method and device for measurement of ion activity in solutions | |
| SU1763965A1 (en) | Electrochemical analysis device | |
| JP2617335B2 (en) | PH measuring method and measuring device using oxide semiconductor | |
| JPS5818635B2 (en) | Electronic watch with hygrometer | |
| RU1774242C (en) | Device for checking parameters of multicomponent materials | |
| RU1784907C (en) | Oxygen partial pressure metering method | |
| SU1599752A1 (en) | Method and apparatus for measuring chemical composition of medium |