RU2548374C2 - Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media - Google Patents

Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media Download PDF

Info

Publication number
RU2548374C2
RU2548374C2 RU2012152300/28A RU2012152300A RU2548374C2 RU 2548374 C2 RU2548374 C2 RU 2548374C2 RU 2012152300/28 A RU2012152300/28 A RU 2012152300/28A RU 2012152300 A RU2012152300 A RU 2012152300A RU 2548374 C2 RU2548374 C2 RU 2548374C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic
sensitive element
oxide
potential
ceramic sensitive
Prior art date
Application number
RU2012152300/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012152300A (en
Inventor
Пётр Никифорович Мартынов
Радомир Шамильевич Асхадуллин
Алексей Николаевич Стороженко
Михаил Ефимович Чернов
Владимир Владимирович Ульянов
Василий Михайлович Шелеметьев
Роман Петрович Садовничий
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского"
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 унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского"
Priority to RU2012152300/28A priority Critical patent/RU2548374C2/en
Publication of RU2012152300A publication Critical patent/RU2012152300A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548374C2 publication Critical patent/RU2548374C2/en

Links

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment. A solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media comprises a ceramic sensitive element (3), tightly placed in a metal body (4), a comparison electrode (8), a potential collecting lead (5), a measurement electrode (2), applied onto the external part of the ceramic sensitive element (3). The measurement electrode (2) represents a double-layer current-conducting coating, the first layer comprises a mixture of a powder of noble metal and zirconium dioxide, the second one consists of a noble metal powder. The ceramic sensitive element (3) is made from solid electrolyte in the form of a cylindrical element and a part of a sphere coupled to each other. The upper external cylindrical surface of the ceramic sensitive element (3) is connected to an internal side surface of the body (4) by means of a connecting material (7). The ceramic sensitive element (3) is additionally equipped with a plug (6) from metal oxide with a hole that covers the cross section of the cavity of the ceramic sensitive element (3). The comparison electrode (8) is located in a cavity formed by the internal surface of the ceramic sensitive element (3) and the surface of the plug (6), occupies its part and contacts with the internal part of the sphere and at least with a part of the internal cylindrical surface of the ceramic sensitive element (3). The comparison electrode (8) comprises a lower and at least one subsequent layer, the free end of the potential-collecting lead (5) facing the part of the sphere is taken out into the volume of the comparison electrode (8) via a hole in the plug (6), at the same time there is electric contact between the potential-collecting lead (5) and the lower layer of the comparison electrode (8). The free end of the potential-collecting lead (5) facing towards the part of the sphere is taken out into the comparison electrode volume (8) via the hole in the plug (6). At the same time there is an electric contact between the potential-collecting lead (5) and the lower layer of the comparison electrode (8). At least a part of the sphere of the ceramic sensitive element (3) protrudes beyond the limits of the body (4). Materials of the body (4), the ceramic sensitive element (3) and the connecting material (7) have a close coefficient of temperature expansion. The free part of the body (4) is connected to a tight lead of useful signal (1) with the help of welding, the cavity formed by the ceramic sensitive element (3), the body (4) and the tight lead of useful signal (1), is tight in respect to the environment.
EFFECT: invention provides for the possibility to expand area of application and reduction of detector cost.
9 cl, 1 dwg

Description

Известно устройство для измерения концентрации кислорода в газах, описанное в патенте на изобретение [Патент на изобретение РФ №2107906, кл. G01N 27/409, приоритет 1993], содержащее цилиндрический корпус, удлиненный цилиндрический элемент, закрытый отдельным наконечником, выполненный из стабилизированной двуокиси циркония, при этом цилиндрический элемент выполнен из термостойкого материала, отличного от двуокиси циркония, при этом наконечник из двуокиси циркония выполнен с кольцеобразной деталью, охватывающей конец цилиндрического элемента и которой наконечник герметически прикреплен к удлиненному цилиндрическому элементу с помощью стеклокерамики.A device for measuring the concentration of oxygen in gases is described in the patent for the invention [Patent for the invention of the Russian Federation No. 2107906, class. G01N 27/409, priority 1993], comprising a cylindrical body, an elongated cylindrical element, closed with a separate tip made of stabilized zirconia, the cylindrical element is made of heat-resistant material other than zirconia, while the tip of zirconia is made with an annular a part covering the end of the cylindrical element and which the tip is hermetically attached to the elongated cylindrical element using glass ceramics.

Недостатком известного устройства является его неавтономность, т.е. необходимость связи с внешней средой, например, с помощью газовой линии, что налагает ограничения на область его применения. Недостатком известного устройства является также низкая стойкость к повышенным давлениям и быстрым перепадам температуры анализируемой среды.A disadvantage of the known device is its autonomy, i.e. the need for communication with the external environment, for example, using a gas line, which imposes restrictions on its scope. A disadvantage of the known device is also low resistance to high pressures and rapid changes in temperature of the analyzed medium.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения кислорода в газах, описанное в патенте на изобретение [RU №2339028, кл. G01N 27/417 приоритет 2007]. Указанное устройство содержит твердоэлектролитную ячейку, электроизолятор, металлическую оболочку, токосъемник с электрода сравнения, на меньшее основание твердоэлектролитной ячейки и на объединенные большие основания электроизолятора и твердоэлектролитной ячейки нанесены последовательно два слоя, первый - из смеси порошка благородного металла и диоксида циркония, второй - из порошка благородного металла, на основании токосъемника в месте его касания с твердоэлектролитной ячейкой нанесена фольга из такого же благородного металла, зазор между сопряженными поверхностями металлической оболочки и электроизолятора заполнен аморфной фольгой из сплава, содержащего 25-30% титана, остальное - медь.Closest to the claimed technical solution is a device for measuring oxygen in gases, described in the patent for the invention [RU No. 2339028, class. G01N 27/417 Priority 2007]. The specified device contains a solid-electrolyte cell, an insulator, a metal shell, a current collector from the reference electrode, two layers are deposited in series on the smaller base of the solid-electrolyte cell and on the combined large bases of the electric insulator and solid-electrolyte cell, the first is a mixture of noble metal powder and zirconia, the second is made of powder noble metal, on the basis of the current collector at the place of its contact with the solid electrolyte cell, a foil of the same noble metal is applied, Azores between the mating surfaces of the electrical insulator and the metallic shell is filled with the amorphous foil of an alloy containing 25-30% titanium, the rest - copper.

Недостатком этого устройства является воздушный не герметичный по отношению к внешней среде электрод сравнения, что ограничивает область его использования необходимостью постоянной доставкой воздуха к электроду сравнения.The disadvantage of this device is the air is not tight relative to the external environment of the reference electrode, which limits the scope of its use by the need for constant delivery of air to the reference electrode.

Предложенное техническое решение позволяет:The proposed technical solution allows you to:

- расширить область применения за счет автономности конструкции;- expand the scope due to the autonomy of the design;

- повысить стойкость к давлениям и быстрым перепадам температуры анализируемой среды за счет конструкции керамического чувствительного элемента.- to increase resistance to pressure and rapid temperature changes of the analyzed medium due to the design of the ceramic sensitive element.

Технический результат состоит в расширении области применения и уменьшении стоимости датчика.The technical result consists in expanding the scope and reducing the cost of the sensor.

Для исключения указанных ранее недостатков в твердоэлектролитном датчике концентрации кислорода в газовых средах, содержащем керамический чувствительный элемент, герметично размещенный в металлическом корпусе, электрод сравнения, потенциалосъемного вывода, на внешнюю часть керамического чувствительного элемента в качестве измерительного электрода нанесено двухслойное токопроводящее покрытие, первый слой состоит из смеси порошка благородного металла и диоксида циркония, второй состоит из порошка благородного металла, предлагается:To eliminate the aforementioned drawbacks in a solid-electrolyte sensor for oxygen concentration in gaseous media containing a ceramic sensitive element hermetically seated in a metal case, a reference electrode, a potential detachable terminal, a two-layer conductive coating is applied to the external part of the ceramic sensitive element, the first layer consists of a mixture of noble metal powder and zirconium dioxide, the second consists of a noble metal powder, offers I have:

- керамический чувствительный элемент выполнить из твердого электролита в виде сопряженных между собой двух цилиндрических элементов и части сферы;- ceramic sensitive element made of solid electrolyte in the form of a pair of two cylindrical elements and part of a sphere;

- верхнюю наружную цилиндрическую поверхность керамического чувствительного элемента соединить с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала;- connect the upper outer cylindrical surface of the ceramic sensing element to the inner side surface of the housing by means of a connecting material;

- керамический чувствительный элемент дополнительно снабдить пробкой из оксида металла с отверстием, перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента;- the ceramic sensing element is additionally equipped with a metal oxide plug with an opening overlapping the cross section of the cavity of the ceramic sensitive element;

- электрод сравнения расположить в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, так чтобы он занимал ее часть и контактировал с внутренней частью сферы и, по меньшей мере, с частью внутренней цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента;- place the reference electrode in the cavity formed by the inner surface of the ceramic sensitive element and the surface of the cork, so that it occupies part of it and contacts the inside of the sphere and at least part of the inner cylindrical surface of the ceramic sensitive element;

- электрод сравнения выполнить из нижнего и, по меньшей мере, одного последующего слоя;- the reference electrode is made from the lower and at least one subsequent layer;

- обращенный в сторону части сферы свободный конец потенциалосъемного вывода вывести в объем электрода сравнения через отверстие в пробке, при этом обеспечить электрический контакт между потенциалосъемным выводом и нижним слоем электрода сравнения;- facing the side of the sphere, the free end of the potential removal terminal is brought out into the volume of the reference electrode through the hole in the plug, while ensuring electrical contact between the voltage removal terminal and the lower layer of the reference electrode;

- подобрать близкий коэффициент температурного расширения материала корпуса, керамического чувствительного элемента и соединительного материала;- choose a close coefficient of thermal expansion of the material of the housing, ceramic sensitive element and connecting material;

- свободную часть корпуса соединить с гермовыводом полезного сигнала с помощью сварки;- connect the free part of the housing with the hermetic output of the useful signal by welding;

- обеспечить герметичность по отношению к внешней среде полости, образованной керамическим чувствительным элементом, корпусом и гермовыводом полезного сигнала.- to ensure tightness with respect to the external environment of the cavity formed by the ceramic sensitive element, the housing and the hermetic output of the useful signal.

В частных случаях реализации устройства предлагается:In special cases, the implementation of the device is proposed:

- в качестве соединительного материала использовать ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) 20-30 мас.%, оксида алюминия (Аl2О3) 6-7 мас.%, оксида бора (В2О3) 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO2) 5-6 мас.%, оксида олова (SnО2) 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) 15-21 мас.%, оксида натрия (Na2O) 3-4 мас.%, оксида калия (К2О) 3-4 мас.%;- as a connecting material, use a glass consisting of silicon oxide (SiO 2 ) 20-30 wt.%, alumina (Al 2 O 3 ) 6-7 wt.%, boron oxide (B 2 O 3 ) 20-21 wt. %, zinc peroxide (ZnO 2 ) 10-12 wt.%, zirconium oxide (ZrO 2 ) 5-6 wt.%, tin oxide (SnО 2 ) 5-7 wt.%, calcium oxide (CaO) 15-21 wt.%, sodium oxide (Na 2 O) 3-4 wt.%, potassium oxide (K 2 O) 3-4 wt.%;

- керамический чувствительный элемент выполнить из поликристаллического или монокристаллического частично стабилизированного диоксида циркония;- ceramic sensitive element made of polycrystalline or monocrystalline partially stabilized zirconia;

- керамический чувствительный элемент выполнить из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида циркония;- ceramic sensitive element made of polycrystalline or single crystal stabilized zirconia;

- керамический чувствительный элемент выполнить из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида гафния;- ceramic sensitive element made of polycrystalline or single crystal stabilized hafnium dioxide;

- по меньшей мере, один из слоев электрода сравнения выполнить из висмута, из свинца, из индия, из галлия, из никеля, из железа, из меди, из алюминия, из оксида висмута, из оксида свинца, из оксида индия, из оксида галлия, из оксида никеля, из оксида железа, из оксида меди, из оксида алюминия;- at least one of the layers of the reference electrode is made of bismuth, lead, indium, gallium, nickel, iron, copper, aluminum, bismuth oxide, lead oxide, indium oxide, gallium oxide from nickel oxide, from iron oxide, from copper oxide, from alumina;

- корпус изготовить из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2) или из ферритно-мартенситной стали ЭП-823 (16Х12МВСФБР);- the body should be made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2S2) or of ferritic-martensitic steel EP-823 (16X12MVSFBR);

- нижнюю часть потенциалосъемного вывода изготовить из стали 12Х18Н10Т или молибдена;- the lower part of the potential removable terminal is made of steel 12X18H10T or molybdenum;

- в составе измерительного электрода использовать серебро, палладий, платину или их смеси.- use silver, palladium, platinum or mixtures thereof in the composition of the measuring electrode.

Сущность изобретения поясняется на фигуре, где представлено продольное осевое сечение датчика. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - гермовывод полезного сигнала; 2 - измерительный электрод; 3 - керамический чувствительный элемент; 4 - корпус; 5 - потенциалосъемный вывод; 6 - пробка; 7 - соединительный материал; 8 - электрод сравнения.The invention is illustrated in the figure, which shows a longitudinal axial section of the sensor. The following notation is used in the figure: 1 - hermetic output of a useful signal; 2 - measuring electrode; 3 - ceramic sensing element; 4 - case; 5 - potential removal terminal; 6 - cork; 7 - connecting material; 8 - reference electrode.

Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах содержит керамический чувствительный элемент (3), герметично размещенный в металлическом корпусе (4), электрод сравнения (8), потенциалосъемный вывод (5), измерительный электрод (2), нанесенный на внешнюю часть керамического чувствительного элемента (3).A solid electrolyte oxygen concentration sensor in gaseous media contains a ceramic sensing element (3) sealed in a metal housing (4), a reference electrode (8), a potential detachment lead (5), a measuring electrode (2) deposited on the outer part of the ceramic sensitive element ( 3).

Измерительный электрод (2) представляет собой двухслойное токопроводящее покрытие, первый слой состоит из смеси порошка благородного металла и диоксида циркония, второй состоит из порошка благородного металла.The measuring electrode (2) is a two-layer conductive coating, the first layer consists of a mixture of noble metal powder and zirconia, the second consists of a noble metal powder.

Керамический чувствительный элемент (3) выполнен из твердого электролита в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы. Верхняя наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента (3) соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса (4) посредством соединительного материала (7).The ceramic sensing element (3) is made of solid electrolyte in the form of a cylindrical element and part of a sphere conjugated to each other. The upper outer cylindrical surface of the ceramic sensing element (3) is connected to the inner side surface of the housing (4) by means of a connecting material (7).

Керамический чувствительный элемент (3) дополнительно снабжен пробкой (6) из оксида металла с отверстием, перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента (3).The ceramic sensing element (3) is additionally equipped with a plug (6) of metal oxide with an opening overlapping the cross section of the cavity of the ceramic sensing element (3).

Электрод сравнения (8) расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента (3) и поверхностью пробки (6), занимает ее часть и контактирует с внутренней частью сферы и, по меньшей мере, с частью внутренней цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента (3), электрод сравнения (8) состоит из нижнего и, по меньшей мере, одного последующего слоя, обращенный в сторону части сферы свободный конец потенциалосъемного вывода (5) выведен в объем электрода сравнения (8) через отверстие в пробке (6), при этом обеспечен электрический контакт между потенциалосъемным выводом (5) и нижним слоем электрода сравнения (8).The reference electrode (8) is located in the cavity formed by the inner surface of the ceramic sensing element (3) and the surface of the plug (6), occupies its part and is in contact with the inner part of the sphere and at least part of the inner cylindrical surface of the ceramic sensing element (3 ), the reference electrode (8) consists of the lower and at least one subsequent layer, the free end of the potential-removing terminal (5) facing the side of the sphere is brought into the volume of the reference electrode (8) through an opening in the box (6), while ensuring electrical contact between the potential removal terminal (5) and the lower layer of the reference electrode (8).

Обращенный в сторону части сферы свободный конец потенциалосъемного вывода (5) выведен в объем электрода сравнения (8) через отверстие в пробке (6). При этом обеспечен электрический контакт между потенциалосъемным выводом (5) и нижним слоем электрода сравнения (8).The free end of the potential detachable terminal (5) facing the side of the sphere is brought into the volume of the reference electrode (8) through an opening in the plug (6). In this case, an electrical contact is provided between the potential detachable terminal (5) and the lower layer of the reference electrode (8).

По меньшей мере, часть сферы керамического чувствительного элемента (3) выступает за пределы корпуса (4), материалы корпуса (4), керамического чувствительного элемента (3) и соединительного материала (7) имеют близкий коэффициент температурного расширения, свободная часть корпуса (4) соединена с гермовыводом полезного сигнала (1) с помощью сварки, полость, образованная керамическим чувствительным элементом (3), корпусом (4) и гермовыводом полезного сигнала (1), является герметичной по отношению к внешней среде.At least part of the sphere of the ceramic sensing element (3) extends beyond the housing (4), the materials of the housing (4), the ceramic sensitive element (3) and the connecting material (7) have a similar coefficient of thermal expansion, the free part of the housing (4) connected to the hermetic output of the useful signal (1) by welding, the cavity formed by the ceramic sensitive element (3), the housing (4) and the hermetic output of the useful signal (1) is sealed against the external environment.

В частных случаях выполнения датчика выполняют следующее: - в качестве соединительного материала используют ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) 20-30 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) 6-7 мас.%, оксида бора (B2O3) 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO2) 5-6 мас.%, оксида олова (SnO2) 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) 15-21 мас.%, оксида натрия (Na2O) 3-4 мас.%, оксида калия (K2O) 3-4 мас.%.In particular cases, the sensor performs the following: - as a connecting material, a ceramic is used, consisting of silicon oxide (SiO 2 ) 20-30 wt.%, Alumina (Al 2 O 3 ) 6-7 wt.%, Boron oxide (B 2 O 3 ) 20-21 wt.%, Zinc peroxide (ZnO 2 ) 10-12 wt.%, Zirconium oxide (ZrO 2 ) 5-6 wt.%, Tin oxide (SnO 2 ) 5-7 wt.%, calcium oxide (CaO) 15-21 wt.%, sodium oxide (Na 2 O) 3-4 wt.%, potassium oxide (K 2 O) 3-4 wt.%.

- керамический чувствительный элемент выполняют из поликристаллического или монокристаллического частично стабилизированного диоксида циркония;- the ceramic sensing element is made of polycrystalline or monocrystalline partially stabilized zirconia;

- керамический чувствительный элемент выполняют из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида циркония;- the ceramic sensor is made of polycrystalline or single crystal stabilized zirconia;

- керамический чувствительный элемент выполняют из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида гафния;- the ceramic sensor is made of polycrystalline or single crystal stabilized hafnium dioxide;

- по меньшей мере, один из слоев электрода сравнения выполняют из висмута, из свинца, из индия, из галлия, из никеля, из железа, из меди, из алюминия, из оксида висмута, из оксида свинца, из оксида индия, из оксида галлия, из оксида никеля, из оксида железа, из оксида меди, из оксида алюминия;- at least one of the layers of the reference electrode is made of bismuth, lead, indium, gallium, nickel, iron, copper, aluminum, bismuth oxide, lead oxide, indium oxide, gallium oxide from nickel oxide, from iron oxide, from copper oxide, from alumina;

- корпус изготавливают из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2) или из ферритно-мартенситной стали ЭП-823 (16Х12МВСФБР);- the case is made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2S2) or of ferritic-martensitic steel EP-823 (16X12MVSFBR);

- нижнюю часть потенциалосъемного вывода изготовляют из стали 12Х18Н10Т или молибдена;- the lower part of the potential removal terminal is made of steel 12X18H10T or molybdenum;

- в составе измерительного электрода используют серебро, палладий, платину или их смеси.- silver, palladium, platinum or mixtures thereof are used in the composition of the measuring electrode.

Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах работает следующим образом.A solid electrolyte sensor for the concentration of oxygen in gaseous media works as follows.

Принцип действия датчика основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием сенсора кислорода на основе твердого оксидного электролита.The principle of operation of the sensor is based on the use of an electrochemical method for determining oxygen concentration using an oxygen sensor based on a solid oxide electrolyte.

Суть метода заключается в составлении гальванического концентрационного элемента: Электрод сравнения (8)/керамический чувствительный элемент (3)/измерительный электрод (2).The essence of the method is to compose a galvanic concentration element: Reference electrode (8) / ceramic sensitive element (3) / measuring electrode (2).

Суммарным потенциалообразующим процессом является процесс переноса кислорода от электрода, где его химический потенциал больше, к электроду, где его химический потенциал меньше.The total potential-forming process is the process of oxygen transfer from the electrode, where its chemical potential is greater, to the electrode, where its chemical potential is less.

Величина ЭДС элемента (Е) связана с изменением химического потенциала кислорода и выражается следующим уравнением:The value of the EMF of element (E) is associated with a change in the chemical potential of oxygen and is expressed by the following equation:

Figure 00000001
Figure 00000001

где n=4 - количество электронов, участвующих в электродной реакции; T - температура, K; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); F - число фарадея, Кл·моль-1; P ' O 2

Figure 00000002
- парциальное давление кислорода в исследуемой среде; P " O 2
Figure 00000003
- парциальное давление кислорода на электроде сравнения.where n = 4 is the number of electrons involved in the electrode reaction; T is the temperature, K; R is the universal gas constant, J / (mol · K); F is the number of Faraday, C · mol -1 ; P '' O 2
Figure 00000002
- partial pressure of oxygen in the test medium; P " O 2
Figure 00000003
- partial pressure of oxygen on the reference electrode.

Измеряя температуру и ЭДС элемента при известном химическом потенциале электрода сравнения в стандартном состоянии, можно легко определить парциальное давление кислорода в исследуемой среде.By measuring the temperature and EMF of an element with the known chemical potential of the reference electrode in the standard state, one can easily determine the partial pressure of oxygen in the medium under study.

Пример конкретного выполнения датчикаAn example of a specific implementation of the sensor

Гермовывод полезного сигнала (1) выполнен из стали 12Х18Н10Т.Germovy useful signal (1) is made of steel 12X18H10T.

Керамический чувствительный элемент (3) выполнен из частично стабилизированного диоксида циркония и выступает за пределы корпуса на расстояние 6 мм.The ceramic sensing element (3) is made of partially stabilized zirconia and protrudes 6 mm beyond the housing.

Корпус (4) изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852. Размеры корпуса (4): диаметр - 15 мм, длина - 220 мм.Case (4) is made of ferritic-martensitic steel EI-852. Case dimensions (4): diameter - 15 mm, length - 220 mm.

Измерительный электрод (2) выполнен из нанесенных последовательно двух слоев: первого - из смеси порошков платины и диоксида циркония, второй - из порошка платины и имеет толщину 20 мкм.The measuring electrode (2) is made of two layers deposited sequentially: the first is from a mixture of platinum and zirconia powders, the second is from platinum powder and has a thickness of 20 μm.

В качестве потенциалосъемного вывода (5) использована центральная жила двухоболочечного кабеля типа КНМС 2 С.As a potential-removable terminal (5), the central core of the double-sheathed cable of the KNMS 2 C type was used.

Пробка (6) выполнена из диоксида циркония.Cork (6) is made of zirconia.

Соединительный материал (12) представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 25 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) - 6 мас.%, оксида бора (B2O3) - 20 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) - 10 мас.%, оксида циркония (ZrO2) - 5 мас.%, оксида олова (SnO2) - 5 мас.%, оксида кальция (CaO) - 21 мас.%, оксида натрия (Na2O) - 4 мас.% и оксида калия (K2O) - 4 мас.%.The connecting material (12) is a ceramic composed of silicon oxide (SiO 2 ) - 25 wt.%, Alumina (Al 2 O 3 ) - 6 wt.%, Boron oxide (B 2 O 3 ) - 20 wt.% zinc peroxide (ZnO 2 ) - 10 wt.%, zirconium oxide (ZrO 2 ) - 5 wt.%, tin oxide (SnO 2 ) - 5 wt.%, calcium oxide (CaO) - 21 wt.%, sodium oxide (Na 2 O) - 4 wt.% And potassium oxide (K 2 O) - 4 wt.%.

Электрод сравнения (8) выполнен из смеси висмута и оксида висмута.The reference electrode (8) is made of a mixture of bismuth and bismuth oxide.

Основные характеристики датчика.The main characteristics of the sensor.

Диапазон измерения концентрации кислорода от 1 10 35

Figure 00000004
до 100 об.%, пределы допускаемого относительного отклонения сигнала датчика ±10%, давление среды - до 7 МПа, скорость изменения температуры рабочей среды - не более 100°C/с, температура рабочей среды - от 300 до 650°C, время выхода на рабочий режим при первичной установке датчика в рабочую среду - не более 2 ч, средняя наработка на отказ - не менее 38000 ч, средний срок службы - не менее 6 лет.Range of measurement of oxygen concentration from one 10 - 35
Figure 00000004
up to 100 vol.%, the limits of the permissible relative deviation of the sensor signal ± 10%, the pressure of the medium is up to 7 MPa, the rate of change of the temperature of the working medium is not more than 100 ° C / s, the temperature of the working medium is from 300 to 650 ° C, exit time to the operating mode during the initial installation of the sensor in the working environment - no more than 2 hours, mean time between failures - at least 38,000 hours, average life - at least 6 years.

Габаритные размеры датчика: длина 600 мм, диаметр 27 мм, масса датчика - не более 0,022 кг.Overall dimensions of the sensor: length 600 mm, diameter 27 mm, sensor weight - not more than 0.022 kg.

Claims (9)

1. Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах, содержащий керамический чувствительный элемент, герметично размещенный в металлическом корпусе, электрод сравнения, потенциалосъемный вывод, на внешнюю часть керамического чувствительного элемента в качестве измерительного электрода нанесено двухслойное токопроводящее покрытие, первый слой состоит из смеси порошка благородного металла и диоксида циркония, второй состоит из порошка благородного металла, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из твердого электролита в виде сопряженных между собой двух цилиндрических элементов и части сферы, верхняя наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала, керамический чувствительный элемент дополнительно снабжен пробкой из оксида металла с отверстием, перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, электрод сравнения расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, занимает ее часть и контактирует с внутренней частью сферы и, по меньшей мере, с частью внутренней цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента, электрод сравнения состоит из нижнего и, по меньшей мере, одного последующего слоя, обращенный в сторону части сферы свободный конец потенциалосъемного вывода выведен в объем электрода сравнения через отверстие в пробке, при этом обеспечен электрический контакт между потенциалосъемным выводом и нижним слоем электрода сравнения, по меньшей мере, часть сферы керамического чувствительного элемента выступает за пределы корпуса, материалы корпуса, керамического чувствительного элемента и соединительного материала имеют близкий коэффициент температурного расширения, свободная часть корпуса соединена с гермовыводом полезного сигнала с помощью сварки, полость, образованная керамическим чувствительным элементом, корпусом и гермовыводом полезного сигнала, является герметичной по отношению к внешней среде.1. A solid-electrolyte oxygen concentration sensor in gaseous media, containing a ceramic sensitive element hermetically seated in a metal housing, a reference electrode, a potential detachable lead, a two-layer conductive coating is applied to the external part of the ceramic sensitive element, the first layer consists of a mixture of precious metal powder and zirconia, the second consists of a powder of a noble metal, characterized in that the ceramic sensitive element made of solid electrolyte in the form of two cylindrical elements conjugated between each other and part of a sphere, the upper outer cylindrical surface of the ceramic sensing element is connected to the inner side surface of the housing by means of a connecting material, the ceramic sensing element is additionally equipped with a metal oxide plug with an opening overlapping the cross section of the ceramic cavity sensing element, the reference electrode is located in the cavity formed by the inner surface the surface of the ceramic sensing element and the surface of the cork, occupies part of it and is in contact with the inner part of the sphere and at least part of the inner cylindrical surface of the ceramic sensing element, the reference electrode consists of a lower and at least one subsequent layer facing to the side of the sphere part, the free end of the potential detachable terminal is brought out into the volume of the reference electrode through the hole in the plug, while electrical contact is provided between the potential detachable terminal and the bottom with a layer of the reference electrode, at least part of the sphere of the ceramic sensitive element extends beyond the housing, the materials of the housing, the ceramic sensitive element and the connecting material have a similar coefficient of thermal expansion, the free part of the housing is connected to the hermetic output of the useful signal by welding, the cavity formed by the ceramic sensitive element, housing and hermetic output of the useful signal, is tight with respect to the external environment. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что соединительный материал представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) 20-30 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) 6-7 мас.%, оксида бора (В2О3) 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO2) 5-6 мас.%, оксида олова (SnO2) 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) 15-21 мас.%, оксида натрия (Na2O) 3-4 мас.%, оксида калия (К2O) 3-4 мас.%.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the connecting material is a glass metal consisting of silicon oxide (SiO 2 ) 20-30 wt.%, Alumina (Al 2 O 3 ) 6-7 wt.%, Boron oxide (B 2 O 3 ) 20-21 wt.%, Zinc peroxide (ZnO 2 ) 10-12 wt.%, Zirconium oxide (ZrO 2 ) 5-6 wt.%, Tin oxide (SnO 2 ) 5-7 wt. %, calcium oxide (CaO) 15-21 wt.%, sodium oxide (Na 2 O) 3-4 wt.%, potassium oxide (K 2 O) 3-4 wt.%. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из поликристаллического или монокристаллического частично стабилизированного диоксида циркония.3. The sensor according to claim 1, characterized in that the ceramic sensing element is made of polycrystalline or monocrystalline partially stabilized zirconia. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида циркония.4. The sensor according to claim 1, characterized in that the ceramic sensitive element is made of polycrystalline or monocrystalline stabilized zirconia. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из поликристаллического или монокристаллического стабилизированного диоксида гафния.5. The sensor according to claim 1, characterized in that the ceramic sensing element is made of polycrystalline or monocrystalline stabilized hafnium dioxide. 6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из слоев электрода сравнения выполнен из висмута, из свинца, из индия, из галлия, из никеля, из железа, из меди, из алюминия, из оксида висмута, из оксида свинца, из оксида индия, из оксида галлия, из оксида никеля, из оксида железа, из оксида меди, из оксида алюминия.6. The sensor according to claim 1, characterized in that at least one of the layers of the reference electrode is made of bismuth, lead, indium, gallium, nickel, iron, copper, aluminum, bismuth oxide , from lead oxide, from indium oxide, from gallium oxide, from nickel oxide, from iron oxide, from copper oxide, from aluminum oxide. 7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2), из ферритно-мартенситной стали ЭП-823 (16Х12МВСФБР).7. The sensor according to claim 1, characterized in that the housing is made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2S2), of ferritic-martensitic steel EP-823 (16X12MVSFBR). 8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть потенциалосъемного вывода изготовлена из стали 12Х18Н10Т или молибдена.8. The sensor according to claim 1, characterized in that the lower part of the potential removal terminal is made of steel 12X18H10T or molybdenum. 9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в состав измерительного электрода входит серебро, палладий, платина или их смеси. 9. The sensor according to claim 1, characterized in that the composition of the measuring electrode includes silver, palladium, platinum or mixtures thereof.
RU2012152300/28A 2012-12-06 2012-12-06 Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media RU2548374C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152300/28A RU2548374C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012152300/28A RU2548374C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012152300A RU2012152300A (en) 2014-06-20
RU2548374C2 true RU2548374C2 (en) 2015-04-20

Family

ID=51213350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012152300/28A RU2548374C2 (en) 2012-12-06 2012-12-06 Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548374C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2677927C1 (en) * 2017-10-09 2019-01-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Potentiometric oxygen concentration sensor
RU2808441C1 (en) * 2023-08-15 2023-11-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Sensor for analysis of high-temperature exhaust gases from thermal units

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1043544A1 (en) * 1980-12-31 1983-09-23 Научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт автоматизации черной металлургии Oxygen gas analyzer
US5707504A (en) * 1995-01-19 1998-01-13 Nippondenso Co., Ltd. Oxygen concentration detector
JP2001153833A (en) * 1999-11-30 2001-06-08 Ngk Spark Plug Co Ltd Oxygen sensor
EP1215385A1 (en) * 2000-12-15 2002-06-19 Delphi Technologies, Inc. Oxygen sensors for multiple port applications in exhaust manifolds
RU2269121C2 (en) * 2000-12-07 2006-01-27 АйИПи ЕМТЕК, ЛЛС Combined indicator of oxygen and nitrogen oxides containment
RU2298176C2 (en) * 2004-07-23 2007-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" Solid-electrolyte oxygen concentration detector and method of making the detector
RU2339028C1 (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Закрытое акционерное общество "ЭКОН" Detecting element of oxygen analyser and method of making it

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1043544A1 (en) * 1980-12-31 1983-09-23 Научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт автоматизации черной металлургии Oxygen gas analyzer
US5707504A (en) * 1995-01-19 1998-01-13 Nippondenso Co., Ltd. Oxygen concentration detector
JP2001153833A (en) * 1999-11-30 2001-06-08 Ngk Spark Plug Co Ltd Oxygen sensor
RU2269121C2 (en) * 2000-12-07 2006-01-27 АйИПи ЕМТЕК, ЛЛС Combined indicator of oxygen and nitrogen oxides containment
EP1215385A1 (en) * 2000-12-15 2002-06-19 Delphi Technologies, Inc. Oxygen sensors for multiple port applications in exhaust manifolds
RU2298176C2 (en) * 2004-07-23 2007-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" Solid-electrolyte oxygen concentration detector and method of making the detector
RU2339028C1 (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Закрытое акционерное общество "ЭКОН" Detecting element of oxygen analyser and method of making it

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2677927C1 (en) * 2017-10-09 2019-01-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Potentiometric oxygen concentration sensor
RU2808441C1 (en) * 2023-08-15 2023-11-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Sensor for analysis of high-temperature exhaust gases from thermal units
RU2819562C1 (en) * 2024-02-21 2024-05-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Sensor for analysis of high-temperature gas media

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012152300A (en) 2014-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6775012B2 (en) Sensor for measuring hydrogen content in aluminum melt and measuring method
JP2018533727A5 (en)
US4218297A (en) Electrochemical gauge for oxygen having an internal reference and solid electrolyte
RU90907U1 (en) HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA
RU2379672C1 (en) Hydrogen detector in liquid and gas mediums
RU2548374C2 (en) Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media
JP4773094B2 (en) Hydrogen detection apparatus and method
US3974054A (en) Measuring cell for determining oxygen concentrations in a gas mixture
US6013163A (en) Probe for detection of the concentration of various elements in molten metal
US20120006097A1 (en) Method and apparatus for monitoring gas concentration
CN212207194U (en) Destressing arc-shaped air cavity oxygen sensor
JP4014250B2 (en) Carbon dioxide sensor
JP5035853B2 (en) Oxygen concentration sensor, method for forming the same, and method for measuring oxygen concentration in high-temperature high-pressure water
EP3236249B1 (en) Sensor for sensing hydrogen in liquid and gaseous media
RU2574423C1 (en) Hydrogen sensor in liquid and gas media
WO2016099330A1 (en) Sensor for sensing hydrogen in gaseous media
JP5372804B2 (en) Hydrogen sensor
RU2677927C1 (en) Potentiometric oxygen concentration sensor
JPH0679007B2 (en) Sensor probe with solid reference material
JPS6158779B2 (en)
CN203688628U (en) Measuring device for decomposition voltage of iron oxide in slag
JPH0829379A (en) Sensor for measuring quantity of hydrogen dissolved in molten metal
SU1182375A1 (en) Electrochemical oxygen transducer
JPH0679008B2 (en) Sensor probe with solid reference material
JPH01176937A (en) Solid electrolyte enzyme sensor

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20160315