RU2483297C1 - Thermochemical sensor - Google Patents

Thermochemical sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2483297C1
RU2483297C1 RU2011150579/28A RU2011150579A RU2483297C1 RU 2483297 C1 RU2483297 C1 RU 2483297C1 RU 2011150579/28 A RU2011150579/28 A RU 2011150579/28A RU 2011150579 A RU2011150579 A RU 2011150579A RU 2483297 C1 RU2483297 C1 RU 2483297C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
porous carrier
active layer
catalytically active
coated
composition
Prior art date
Application number
RU2011150579/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Геннадьевич Козлов
Алексей Николаевич Удод
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского"
Priority to RU2011150579/28A priority Critical patent/RU2483297C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2483297C1 publication Critical patent/RU2483297C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: thermochemical sensor has a measuring circuit consisting of a working element and a comparative element, each in form of a resistor which is in form of a heating coil which is baked inside a porous carrier, in the working element of which the porous carrier is coated with a catalytically active layer, and in the comparative element the porous carrier is coated with a catalytically inactive layer; in the working element between the porous carrier and the catalytically active layer there is an intermediate layer with the composition BaO(CeO)0.9(Nd2O3)0.1; and the material of the catalytically active layer used is the composition (La2O3)0.6(SrO)0.4MnO2.
EFFECT: wide range of measuring concentration of hydrogen-containing combustible gases.
3 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано в газоанализаторах для определения концентрации водородсодержащих горючих газов в окружающей среде.The invention relates to gas analysis and can be used in gas analyzers to determine the concentration of hydrogen-containing combustible gases in the environment.

Известен термохимический газоанализатор (патент RU №2119663), содержащий рабочий (чувствительный) элемент в виде спирали, запеченной внутри пористого носителя, обработанного катализатором и установленного в держателе, в качестве держателя используется диэлектрическая подложка с размещенным на ней пленочным нагревателем, выполняющим функцию компенсации изменений температуры окружающей среды. Недостатком данного технического решения является малый диапазон измерения концентрации горючих газов, максимальное значение диапазона не превышает 10 об.%. При увеличении процентного содержания горючего газа в окружающей среде проявляется нестабильность выходных характеристик.Known thermochemical gas analyzer (patent RU No. 2119663) containing a working (sensitive) element in the form of a spiral baked inside a porous carrier treated with a catalyst and installed in a holder, a dielectric substrate with a film heater placed on it, which performs the function of compensating for temperature changes, is used as a holder the environment. The disadvantage of this technical solution is the small measurement range of the concentration of combustible gases, the maximum value of the range does not exceed 10 vol.%. With an increase in the percentage of combustible gas in the environment, instability of the output characteristics is manifested.

Наиболее близким аналогом является конструкция термохимического датчика (а.с. SU №1767405), содержащего измерительную схему из резисторов, покрытого катализатором рабочего и каталитически неактивного сравнительного чувствительных элемента, выполненных из нагревательной спирали, которая запечена внутри пористого носителя. Рабочий элемент покрыт катализатором, состоящим из оксидов кобальта и алюминия, сравнительный элемент покрыт каталитически неактивным составом из оксидов кобальта, меди и хрома. Такой состав позволяет улучшить избирательность датчика по отношению к водороду в присутствии других горючих газов. К недостаткам этой конструкции можно отнести малый диапазон измерения концентрации водорода: термохимический датчик не определяет процент содержания газа, превышающий 10 об.%; а также неспособность реагировать на присутствие водорода в бескислородной среде с небольшим процентным содержанием других горючих газов.The closest analogue is the design of a thermochemical sensor (AS SU No. 1767405), containing a measuring circuit of resistors, coated with a catalyst for a working and catalytically inactive comparative sensitive element made of a heating spiral, which is baked inside a porous carrier. The working element is coated with a catalyst consisting of cobalt and aluminum oxides, the comparative element is coated with a catalytically inactive composition of cobalt, copper and chromium oxides. This composition allows to improve the selectivity of the sensor with respect to hydrogen in the presence of other combustible gases. The disadvantages of this design include a small range of measurement of hydrogen concentration: the thermochemical sensor does not determine the percentage of gas content in excess of 10 vol.%; and the inability to respond to the presence of hydrogen in an oxygen-free environment with a small percentage of other combustible gases.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения концентрации водородсодержащих горючих газов до 100 об.%.The aim of the invention is to expand the measuring range of the concentration of hydrogen-containing combustible gases to 100 vol.%.

Поставленная цель достигается тем, что термохимический датчик содержит измерительную схему из рабочего и сравнительного элемента, каждый из которых выполнен в виде резистора постоянного сопротивления, изготовленного в виде нагревательной спирали, запеченной внутри пористого носителя, в рабочем элементе которого пористый носитель покрыт каталитически активным слоем, а в сравнительном элементе пористый носитель покрыт каталитически неактивным слоем, в рабочем элементе между пористым носителем и каталитически активным слоем находится промежуточный слой состава BaO(CeO)0,9(Nd2O3)0,1, а в качестве материала каталитически активного слоя используется состав (La2O3)0,6(SrO)0,4MnO2.This goal is achieved in that the thermochemical sensor contains a measuring circuit of a working and comparative element, each of which is made in the form of a constant resistance resistor made in the form of a heating coil baked inside a porous carrier, in the working element of which the porous carrier is coated with a catalytically active layer, and in the comparative element, the porous carrier is coated with a catalytically inactive layer, in the working element between the porous carrier and the catalytically active layer I have an intermediate layer of composition BaO (CeO) 0.9 (Nd 2 O 3 ) 0.1 , and the composition of the catalytically active layer is composition (La 2 O 3 ) 0.6 (SrO) 0.4 MnO 2 .

Особенностью термохимического датчика является то, что материал промежуточного слоя обладает протонной проводимостью, а материал каталитически активного слоя является катализатором двух типов реакций: реакции разложения водородсодержащего горючего газа на составляющие его элементы, в том числе и на ионы H2 (протоны), и реакции окисления элементов горючего газа. Ионы водорода диффундируют в промежуточный слой, повышая его проводимость.A feature of the thermochemical sensor is that the material of the intermediate layer has proton conductivity, and the material of the catalytically active layer is a catalyst for two types of reactions: the decomposition of a hydrogen-containing combustible gas into its constituent elements, including H 2 ions (protons), and oxidation reactions elements of combustible gas. Hydrogen ions diffuse into the intermediate layer, increasing its conductivity.

Конструкция термохимического датчика представлена на фиг.1. На установочную платформу 1 с закрепленной на ней разделительной перегородкой из слюды 2 крепятся рабочий 3 и сравнительный 4 элементы. Элементы крепятся к проволочным выводам 5, вмонтированным в установочную платформу. Защитный колпачок 6 из пористого материала защищает датчик от механических повреждений извне, не препятствуя прохождению горючих газов.The design of the thermochemical sensor is presented in figure 1. Worker 3 and comparative 4 elements are attached to the installation platform 1 with a dividing partition made of mica 2 fixed on it. Elements are attached to wire leads 5 mounted in the installation platform. A protective cap 6 of porous material protects the sensor from mechanical damage from the outside, without interfering with the passage of combustible gases.

Рабочий 3 и сравнительный 4 элементы содержат платиновые спирали 7. Спираль каждого элемента запечена внутри пористого носителя 8 из оксида алюминия Al2O3. Промежуточный слой 9 рабочего элемента состава BaO(CeO)0,9(Nd2O3)0,1 нанесен на пористый носитель. Данный состав промежуточного слоя является оптимальным с точки зрения протонной (ионной) проводимости, которая достигает 10 mSm/cm (600°C) и 20 mSm/cm (800°C) (F.Chen, O.T.Sorensen, G.Meng, D.Peng. Preparation of Nd-doped barium cerate through different routes. Solid State Ionics v.100, 1997, p.63-72). Промежуточный слой покрыт каталитически активным слоем 10 состава (La2O3)0,6(SrO)0,4MnO2. Сравнительный элемент датчика поверх пористого носителя 8 из оксида алюминия Al2O3 покрыт каталитически неактивным составом - оксидом кремния SiO2. Промежуточный слой наносится из растворов азотнокислых солей бария, церия и неодима с последующим отжигом. Слой катализатора приготавливают из растворов азотнокислых солей лантана, стронция и марганца, наносят на рабочий элемент поверх промежуточного слоя с последующим отжигом.Worker 3 and comparative 4 elements contain platinum spirals 7. The spiral of each element is baked inside a porous carrier 8 of aluminum oxide Al2O3. The intermediate layer 9 of the working element composition BaO (CeO)0.9(Nd2O3)0.1 applied to a porous carrier. This composition of the intermediate layer is optimal in terms of proton (ionic) conductivity, which reaches 10 mSm / cm (600 ° C) and 20 mSm / cm (800 ° C) (F. Chen, OTSorensen, G. Meng, D. Peng. Preparation of Nd-doped barium cerate through different routes. Solid State Ionics v. 100, 1997, p. 63-72). The intermediate layer is coated with a catalytically active layer 10 of the composition (La2O3)0.6(SrO)0.4MnO2. Sensor Comparison Element Over Porous Alumina 82O3 coated with a catalytically inactive composition - silicon oxide SiO2. An intermediate layer is applied from solutions of nitric salts of barium, cerium and neodymium, followed by annealing. The catalyst layer is prepared from solutions of nitric salts of lanthanum, strontium and manganese, applied to the working element on top of the intermediate layer, followed by annealing.

Датчик работает следующим образом. На выводы, соединенные с платиновой спиралью, подается рабочее напряжение, температура элемента достигает рабочей Тр (300-500°C). При наличии в окружающей среде регистрируемого газа на рабочем элементе происходит сначала реакция разложения водородсодержащего газа на образующие его элементы, включая ионы водорода, часть которых проникает в промежуточный слой, повышая его протонную проводимость, и затем идет реакция окисления элементов горючего газа с выделением тепла. После повышения температуры увеличивается сопротивление платиновой спирали, а сопротивление промежуточного слоя уменьшается.The sensor operates as follows. The terminals connected to the platinum spiral are supplied with operating voltage, the temperature of the element reaches the working Tr (300-500 ° C). If there is a detected gas in the environment at the working element, the decomposition of the hydrogen-containing gas into its constituent elements occurs first, including hydrogen ions, some of which penetrate into the intermediate layer, increasing its proton conductivity, and then the oxidation reaction of the combustible gas elements takes place with the release of heat. After increasing the temperature, the resistance of the platinum spiral increases, and the resistance of the intermediate layer decreases.

Изменение напряжения на чувствительном элементе в зависимости от концентрации регистрируемого газа фиксируется схемой обработки сигнала. Выходной сигнал термохимического датчика является суммой двух сигналов: сигнала, обусловленного уменьшением сопротивления рабочего элемента за счет увеличения протонной проводимости промежуточного слоя, и сигнала, обусловленного увеличением сопротивления рабочего элемента за счет увеличения сопротивления платиновой спирали из-за повышения температуры вследствие окисления элементов горючего газа. Во всем диапазоне измерения концентрации водородсодержащего горючего газа от 0 до 100 об.% данные механизмы обеспечивают понижение сопротивления рабочего элемента. Включение датчика в мостовую схему обеспечивает независимость выходного сигнала датчика от температуры окружающей среды.The voltage change on the sensitive element, depending on the concentration of the detected gas, is recorded by the signal processing circuit. The output signal of the thermochemical sensor is the sum of two signals: a signal due to a decrease in the resistance of the working element due to an increase in the proton conductivity of the intermediate layer, and a signal due to an increase in the resistance of the working element due to an increase in the resistance of the platinum spiral due to an increase in temperature due to oxidation of the combustible gas elements. In the entire range of measuring the concentration of hydrogen-containing combustible gas from 0 to 100 vol.%, These mechanisms provide a decrease in the resistance of the working element. The inclusion of a sensor in a bridge circuit ensures that the sensor output is independent of the ambient temperature.

В таблицах 1-3 представлены зависимости выходного сигнала датчика от концентрации водородосодержащего газа (метан, водород, пропан) в диапазоне от 0 до 100 об.%Tables 1-3 show the dependence of the sensor output signal on the concentration of hydrogen-containing gas (methane, hydrogen, propane) in the range from 0 to 100 vol.%

Таблица 1Table 1 Чувствительность к метану (CH4)Methane Sensitivity (CH 4 ) Концентрация анализируемого газа, об.%The concentration of the analyzed gas, vol.% 00 0,50.5 1one 1,51,5 22 33 55 1010 20twenty 4040 6060 8080 100one hundred Выходной сигнал датчика, мВSensor output signal, mV 00 88 1212 1717 2121 2828 3737 5151 7171 129129 182182 224224 277277

Таблица 2table 2 Чувствительность к водороду (Н2)Sensitivity to hydrogen (H 2 ) Концентрация анализируемого газа, об.%The concentration of the analyzed gas, vol.% 00 0,50.5 1one 1,51,5 22 33 55 1010 20twenty 4040 6060 8080 100one hundred Выходной сигнал датчика, мВSensor output signal, mV 00 11eleven 15fifteen 2121 2424 30thirty 3939 5858 7979 142142 192192 238238 296296

Таблица 3Table 3 Чувствительность к пропану (С3Н8)Sensitivity to Propane (C 3 H 8 ) Концентрация анализируемого газа, об.%The concentration of the analyzed gas, vol.% 00 0,50.5 1one 1,51,5 22 33 55 1010 20twenty 4040 6060 8080 100one hundred Выходной сигнал датчика, мВSensor output signal, mV 00 66 1010 1313 18eighteen 2424 3131 4444 6565 109109 163163 213213 259259

Преимуществом заявляемой конструкции можно назвать простоту изготовления датчика, способность определения концентрации водородсодержащих горючих газов в бескислородной среде.The advantage of the claimed design can be called the ease of manufacture of the sensor, the ability to determine the concentration of hydrogen-containing combustible gases in an oxygen-free environment.

Claims (1)

Термохимический датчик, содержащий измерительную схему из рабочего и сравнительного элемента, каждый из которых выполнен в виде резистора, изготовленного в виде нагревательной спирали, запеченной внутри пористого носителя, в рабочем элементе которого пористый носитель покрыт каталитически активным слоем, а в сравнительном элементе пористый носитель покрыт каталитически неактивным слоем, отличающийся тем, что в рабочем элементе между пористым носителем и каталитически активным слоем находится промежуточный слой состава BaO(CeO)0,9(Nd2O3)0,1, а в качестве материала каталитически активного слоя используется состав (La2O3)0,6(SrO)0,4MnO2. A thermochemical sensor containing a measuring circuit of a working and comparative element, each of which is made in the form of a resistor made in the form of a heating coil baked inside a porous carrier, in the working element of which the porous carrier is coated with a catalytically active layer, and in the comparative element the porous carrier is coated with a catalytically inactive layer, characterized in that in the working element between the porous support and the catalytically active layer is an intermediate layer of the composition BaO (CeO) 0.9 (Nd 2 O 3 ) 0.1 , and as the material of the catalytically active layer, the composition (La 2 O 3 ) 0.6 (SrO) 0.4 MnO 2 is used .
RU2011150579/28A 2011-12-12 2011-12-12 Thermochemical sensor RU2483297C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150579/28A RU2483297C1 (en) 2011-12-12 2011-12-12 Thermochemical sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150579/28A RU2483297C1 (en) 2011-12-12 2011-12-12 Thermochemical sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2483297C1 true RU2483297C1 (en) 2013-05-27

Family

ID=48791996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011150579/28A RU2483297C1 (en) 2011-12-12 2011-12-12 Thermochemical sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2483297C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE344698C (en) *
DE2816104A1 (en) * 1978-01-16 1979-07-19 English Electric Valve Co Ltd COMBUSTIBLE GAS DETECTOR
SU1767405A1 (en) * 1990-07-13 1992-10-07 Научно-Производственный Кооператив "Химанализ" Thermochemical transducer
EP0608122A2 (en) * 1993-01-21 1994-07-27 Servomex Plc Sensor for combustible gases
RU2119663C1 (en) * 1996-06-18 1998-09-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Thermochemical gas analyzer
RU2210762C2 (en) * 2001-09-04 2003-08-20 ООО "Научно-технический центр измерительных газочувствительных датчиков" Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE344698C (en) *
DE2816104A1 (en) * 1978-01-16 1979-07-19 English Electric Valve Co Ltd COMBUSTIBLE GAS DETECTOR
SU1767405A1 (en) * 1990-07-13 1992-10-07 Научно-Производственный Кооператив "Химанализ" Thermochemical transducer
EP0608122A2 (en) * 1993-01-21 1994-07-27 Servomex Plc Sensor for combustible gases
RU2119663C1 (en) * 1996-06-18 1998-09-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Thermochemical gas analyzer
RU2210762C2 (en) * 2001-09-04 2003-08-20 ООО "Научно-технический центр измерительных газочувствительных датчиков" Procedure measuring concentration of methane by means of thermochemical ( thermocatalytic ) sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rheaume et al. A review of recent progress in sensing of gas concentration by impedance change
US9011778B2 (en) Hydrogen sensitive composite material, hydrogen gas sensor, and sensor for detecting hydrogen and other gases with improved baseline resistance
Miura et al. Mixed-potential-type propylene sensor based on stabilized zirconia and oxide electrode
US4592967A (en) Gas sensor of mixed oxides
US9983165B2 (en) Nitrogen oxide decomposition material and use thereof
JP2009540334A (en) Ammonia sensor with heterogeneous electrodes
TWI603080B (en) Micro gas sensor and its manufacturing method
EP0197629B1 (en) Alcohol selective gas sensor
JPH0650293B2 (en) Gas sensor
JP7057629B2 (en) Gas sensor and gas detector
RU2483297C1 (en) Thermochemical sensor
TWI706571B (en) Miniature gas sensor structure
JP3775704B2 (en) Solid electrolyte hydrogen sensor
Wama et al. Impedancemetric zirconia-based sensor attached with laminated-oxide sensing-electrode aiming at highly sensitive and selective detection of propene in atmospheric air
JPH01227951A (en) Gas sensor and its production
JP4783095B2 (en) Hydrogen gas detection element and hydrogen gas detection device
US20180136156A1 (en) Gas sensor element
JP4532923B2 (en) Reducing gas detection element and reducing gas detection device
RU2403563C1 (en) Differential sensor for gas analyser
JP2000028573A (en) Hydrocarbon gas sensor
KR102630480B1 (en) Sensor
Hagen et al. Potentiometric CO2 Gas Sensor Based on Zeolites
JP3696494B2 (en) Nitrogen oxide sensor
KR20130021535A (en) Nox sensor
Addabbo et al. An artificial olfactory system (AOS) for detection of highly toxic gases in air based on YCoO3

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151213