RU2574423C1 - Датчик водорода в жидких и газовых средах - Google Patents
Датчик водорода в жидких и газовых средах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574423C1 RU2574423C1 RU2014150468/28A RU2014150468A RU2574423C1 RU 2574423 C1 RU2574423 C1 RU 2574423C1 RU 2014150468/28 A RU2014150468/28 A RU 2014150468/28A RU 2014150468 A RU2014150468 A RU 2014150468A RU 2574423 C1 RU2574423 C1 RU 2574423C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic
- sensitive element
- selective membrane
- sensing element
- reference electrode
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical class [H]* 0.000 title claims abstract 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 title abstract description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 36
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 10
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 9
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N Boron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NOTVAPJNGZMVSD-UHFFFAOYSA-N Potassium oxide Chemical compound [K]O[K] NOTVAPJNGZMVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001950 potassium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 4
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 210000004907 Glands Anatomy 0.000 abstract 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N Bismuth(III) oxide Chemical compound O=[Bi]O[Bi]=O WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000005039 chemical industry Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007799 cork Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N oxygen atom Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002077 partially stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений. Датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода. Нижняя втулка, выполненная в виде трубки, соединенной с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Вверху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена ситаллом. Изобретение обеспечивает повышение ресурса и надежности работы датчика водорода в широком диапазоне параметров рабочей среды, посредством обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Область техники
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений.
Предшествующий уровень техники
Известен электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах (Патент на изобретение РФ №2120624, МПК G01N 27/417, «Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах», опубл. 20.10.1998).
Датчик включает корпус, герметично соединенный с помощью металла с твердоэлектролитным датчиком кислорода. Твердоэлектролитный датчик кислорода состоит из керамического изолятора, закрытого в нижней части пробкой из твердого электролита, пористого платинового электрода, нанесенного на внешнюю сторону пробки, жидкого металлооксидного эталонного электрода, размещенного с внутренней стороны пробки, термопары-токоподвода, закрепленного в крышке, закрывающей сверху керамический изолятор. К нижней части корпуса приварена селективная мембрана, выполненная в виде гофрированного стакана. Между селективной мембранной и пробкой твердого электролита установлена таблетка из пористого электроизоляционного оксида.
Недостатком известного устройства является относительно низкая герметичность внутренней полости керамического чувствительного элемента, возникающая из-за натечек кислорода через зазор между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника, что приводит к окислению эталонного электрода и снижению ресурса и надежности работы устройства в целом.
Известен электрохимический датчик концентрации водорода в жидкостях и газах (Дмитриев И.Г., Орлов В.Л., Шматко Б.А. Электрохимический датчик водорода в жидкостях и газах // Сб. тезисов докладов Межотраслевой конференции «Теплофизика-91». Обнинск, 1993. С. 134-136).
Датчик включает электрохимическую кислородную ячейку на базе твердого электролита из стабилизированного диоксида циркония, жидкометаллического электрода сравнения из смеси Bi+Bi2O3, измерительного платинового электрода, который помещен в герметичную камеру, заполненную водным паром.
Недостатками известного технического решения являются:
- относительно низкая надежность и малый ресурс работы устройства из-за сложности конфигурации датчика;
- относительно низкая термическая и коррозийная стойкость твердоэлектролитического датчика кислорода к парам воды;
- относительно высокая инерционность устройства и недостаточная чувствительность из-за сложности стабилизации парциального давления паров воды в измерительной камере;
- относительно низкая точность измерения концентрации водорода, которая является следствием сложного поддержания стабильности температуры и трубопроводов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является датчик водорода в жидких и газовых средах (Патент на изобретение РФ №2379672, МПК G01N 27/417, «Датчик водорода в жидких и газовых средах», опубл. 20.01.2008).
Датчик водорода включает селективную мембрану, пористую электроизоляционную керамику и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, кремнеземная ткань и соединительный материал, пробка, имеющая отверстие и перекрывающая поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемник в виде двухоболочечного кабеля, проходящий через центральное отверстие гермоввода, цилиндрическая втулка. Полость корпуса между гермовводом и керамическим чувствительным элементом является герметичной. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала. Эталонный электрод расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, и занимает, по меньшей мере, ее часть. Наружная сферическая часть керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника, обращенный в сторону керамического чувствительного элемента, выведен через отверстие в пробке в объем эталонного электрода. Обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Часть керамического чувствительного элемента выступает за пределы корпуса. Втулка, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса со стороны выступающей части керамического чувствительного элемента. Нижний конец втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой. Полость, ограниченная внутренней поверхностью втулки, соединительным материалом, внешней выступающей за пределы корпуса частью керамического чувствительного элемента и внутренней поверхностью селективной мембраны, герметична. Внутренняя полость втулки между выступающей частью керамического чувствительного элемента и дном втулки заполнена кремнеземной тканью. Пористая электроизоляционная керамика выполнена в виде цилиндра и размещена с кольцевым зазором по отношению к внутренней поверхности селективной мембраны.
Недостатком известного устройства является относительно низкая герметичность (недостаток 1) внутренней полости керамического чувствительного элемента, что может привести к натечкам во внутреннюю полость кислорода через зазор между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника, и в конечном результате к окислению эталонного электрода и снижению ресурса и надежности работы устройства в целом. Также, вследствие отсутствия надежной герметизации верхней части потенциалосъмника (недостаток 2), возможно попадание влаги внутрь изоляции двухоболочечного кабеля, что приводит к уменьшению сопротивления центральной жилой и оболочкой кабеля и, как следствие, к потере полезного сигнала и искажению показаний датчика.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в повышении стабильности и достоверности показаний датчика водорода, а также ресурса и надежности его работы в широком диапазоне параметров рабочей среды.
Технический результат
Технический результат состоит в повышении точности показаний датчика водорода за счет обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента и увеличения электросопротивления между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника вследствие обеспечения надежной герметизации верхней части потенциалосъемника, а также в исключении окисления эталонного электрода датчика.
Для решения поставленной задачи предложена конструкция датчика, включающего селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита. В полости керамического чувствительного элемента размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента. Гермоввод расположен герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом. Потенциалосъемник проходит через центральное отверстие гермоввода и нижнюю втулку, причем керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода, при этом обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Нижняя втулка, выполнена в виде трубки и соединена с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Датчик отличается тем, что дополнительно снабжен верхней втулкой и герметиком, заполняющим кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника. Герметик представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 45÷55 мас. %, оксида алюминия (Al2O3) - 4÷6 мас. %, оксида бора (В2О3) - 18÷22 мас. %, оксида титана (TiO2) - 9÷12 мас. %, оксида натрия (Na2O) - 12÷15 мас. %, оксида калия (K2O) - 1÷2 мас. % и оксида магния (MgO) - 2÷3 мас. %.
Предпочтительным является ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 50 мас. %, оксида алюминия (Al2O3) - 5 мас. %, оксида бора (В2О3) - 20 мас. %, оксида титана (TiO2) - 10 мас. %, оксида натрия (Na2O) - 12 мас. %, оксида калия (K2O) - 1 мас. % и оксида магния (MgO) - 2 мас. %.
При этом герметик заполняет кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника, верхняя втулка выполнена из нержавеющей стали. Селективная мембрана датчика водорода, выполнена, по меньшей мере, из одной трубки.
Истинные значения ЭДС датчика связаны с ЭДС, индицируемым вторичным прибором, следующим образом
где E0 - истинное значения ЭДС датчика;
E - ЭДС, индицируемая вторичным прибором;
R0 - внутреннее электросопротивление датчика (керамического чувствительного элемента);
Rц - электросопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление вторичного прибора и сопротивление центральная жила - оболочка кабеля потенциалосъемника.
Таким образом, из данной формулы видно, что чем больше электросопротивление цепи, тем ближе регистрируемый сигнал датчика к истинному.
Конструкция датчика позволяет повысить стабильность и достоверность показаний датчика водорода, а также ресурс и надежность его работы в широком диапазоне параметров рабочей среды.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой представлено продольное осевое сечение датчика, общий вид.
Осуществление изобретения
Датчик водорода включает селективную мембрану 1 и корпус 2. Внутри корпуса 2 расположен потенциалосъемник 3, керамический чувствительный элемент 4 из твердого электролита. В полости чувствительного элемента размещен эталонный электрод 5, пористый платиновый электрод 6, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента 4. Гермоввод 7 расположен герметично внутри корпуса 2 над керамическим чувствительным элементом 4. Датчик содержит верхнюю 8 и нижнюю 9 втулки, герметик 10, центральную жилу потенциалосъемника 11 и заглушку 12.
Герметик 10 заполняет кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки 8 и наружной поверхностью центральной жилы потенциалосъемника 11.
Потенциалосъемник 3 проходит через центральное отверстие гермоввода 7.
Керамический чувствительный элемент 4 расположен в нижней части датчика и выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрической части и донышка.
Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента 4 герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 2.
Эталонный электрод 5 расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента 4.
Наружная часть днища керамического чувствительного элемента 4 покрыта слоем пористого платинового электрода 6.
Конец центральной жилы потенциалосъемника 3 выведен в объем эталонного электрода 5.
Между эталонным электродом 5 и нижней частью центральной жилы 11 потенциалосъемника 11 обеспечен электрический контакт.
Нижняя втулка 9, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса 2 со стороны керамического чувствительного элемента 4.
Нижний конец нижней втулки 9 имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана 1, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки.
Нижний свободный конец селективной мембраны 1 герметично закрыт заглушкой 12.
Полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки 9, внешней частью днища керамического чувствительного элемента 4 и внутренними поверхностями селективной мембраны 1 и заглушки 12, выполнена герметичной.
Герметик 10 представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 50 мас. %, оксида алюминия (Al2O3) - 5 мас. %, оксида бора (В2О3) - 20 мас. %, оксида титана (TiO2) - 10 мас. %, оксида натрия (Na2O) - 12 мас. %, оксида калия (K2O) - 1 мас. % и оксида магния (MgO) - 2 мас. %.
Герметик необходим для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств эталонного электрода 5. Указанный состав герметика был определен в ходе исследований и обеспечивает большую устойчивость к неблагоприятным условиям эксплуатации в агрессивной среде при повышенной температуре, а значит обеспечивается герметичность датчика на более длительном сроке эксплуатации и снижаются риски разгерметизации и ухудшения погрешности показаний.
В частном случае исполнения датчика верхняя втулка 8 выполнена из нержавеющей стали.
Материалы верхней втулки 8 и потенциалосъемника 3 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, что позволяет сохранять работоспособность датчика водорода при изменении температуры окружающей среды в диапазоне температур 0-300°C.
Нижняя втулка 9 и заглушка 12 выполнены из никеля марки НП0.
Гермоввод 7 и верхняя втулка 8 изготовлены из стали 12Х18Н10Т.
Керамический чувствительный элемент 4 выполнен из частично стабилизированного диоксида циркония и выступает за пределы корпуса 2 на расстояние 6 мм.
Корпус 2 изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 и имеет следующие размеры: диаметр - 15 мм, длина - 220 мм.
Пористый платиновый электрод 6 имеет толщину 20 мкм.
В качестве потенциалосъемника 3 использован двухоболочечный кабель типа КНМС 2 С.
Селективная мембрана 1 состоит из одной трубки, выполненной из никеля марки НМг0.08в. Размеры селективной мембраны 1: диметр - 6 мм; длина - 40 мм, толщина стенки - 0,15 мм.
Эталонный электрод 5 выполнен из смеси висмута и оксида висмута.
Отношение площади внутренней боковой поверхности селективной мембраны 1 к ее внутреннему свободному объему составляет 0,4 мм-1.
На внешней и внутренней части селективной мембраны 1 выполнена химически стойкая в окислительной среде защитная пленка из Pd.
Принцип действия датчика водорода основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием сенсора кислорода на основе твердого оксидного электролита.
Датчик водорода работает следующим образом.
При размещении датчика водорода в исследуемой среде водород, содержащийся в ней, через селективную мембрану 1 обратимо диффундирует в паро-водородную камеру (полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки 9, внешней выступающей за пределы корпуса 6 частью керамического чувствительного элемента 4 и внутренней поверхностью селективной мембраны 1), изменяя ЭДС датчика.
ЭДС датчика возникает за счет разности парциальных давлений кислорода на электродах гальванического концентрационного элемента, схема которого может быть представлена в виде:
Ме|эталонный электрод (5) ||ZrO2·Y2O3||пористый платиновый электрод (6)|Н2О, Н2| селективная мембрана| среда.
Паро-водородная камера имеет фиксированное парциальное давление паров воды и функционирует как преобразователь термодинамического потенциала водорода в окислительный потенциал паро-водородной смеси на пористом платиновом электроде 6.
Результирующая ЭДС является функцией давления водорода и записывается следующим образом:
где Т - температура, K; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольK); F- число Фарадея, Дж/моль; n - число электронов, участвующих в реакции; 
- парциальное давление паров воды в паро-водородной камере, Па; 
- парциальное давление водорода в исследуемой среде, Па.
Вывод электрического сигнала для подачи его на вторичную аппаратуру обеспечивается потенциалосъемником 3. Изменение концентрации водорода в контролируемой среде приводит к изменению величины электрического сигнала, что позволяет осуществлять непрерывный его съем и обработку.
Инерционность датчика связана с проницаемостью водорода через селективную мембрану 1 и может быть оценена с помощью времени запаздывания сигнала:
где d - толщина селективной мембраны 1, м; D - коэффициент диффузии водорода в материале селективной мембраны 1, м2/сек, S - площадь поверхности селективной мембраны 1, м2 и V - внутренний объем селективной мембраны 1, м3.
Промышленная применимость
Датчик может быть изготовлен в промышленных масштабах и не требует для своего производства специального оборудования.
Claims (3)
1. Датчик водорода в жидких и газовых средах, включающий селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой, причем керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента, наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса, эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента, наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода, конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода, при этом обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника, нижняя втулка, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента, нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки, нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной, отличающийся тем, что в верху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена герметиком, представляющим собой ситалл.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что ситалл состоит из оксида кремния (SiO2) - 50 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) - 5 мас.%, оксида бора (В2О3) - 20 мас.%, оксида титана (TiO2) - 10 мас.%, оксида натрия (Na2O) -12 мас.%, оксида калия (K2O) - 1 мас.% и оксида магния (MgO) - 2 мас.%.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что верхняя втулка выполнена из нержавеющей стали.
Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017532114A JP6921746B2 (ja) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 気液二相状態の媒体用水素検出器 |
| EA201650105A EA032158B1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| CA2971131A CA2971131A1 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen detector for gas and fluid media |
| US15/536,218 US10962502B2 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen detector for gas and fluid media |
| EP15870437.9A EP3236249B1 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Sensor for sensing hydrogen in liquid and gaseous media |
| KR1020177019580A KR102199059B1 (ko) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 가스 및 유체 매체용 수소 검출기 |
| MYPI2017702211A MY196623A (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen Detector for Gas and Fluid Media |
| BR112017013044-0A BR112017013044B1 (pt) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | detector de hidrogênio para meios gasosos e fluidos |
| UAA201707420A UA121488C2 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| CN201580076080.1A CN107209148A (zh) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 用于气体和液体介质的氢检测器 |
| PCT/RU2015/000789 WO2016099329A1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2574423C1 true RU2574423C1 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111024797A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-17 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 | 一种覆膜传感器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2120624C1 (ru) * | 1997-07-21 | 1998-10-20 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
| RU90907U1 (ru) * | 2009-09-21 | 2010-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Обнинский Центр Науки И Технологий" | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред |
| RU2517947C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2014-06-10 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| RU2533931C1 (ru) * | 2013-06-14 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2120624C1 (ru) * | 1997-07-21 | 1998-10-20 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
| RU2517947C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2014-06-10 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| RU90907U1 (ru) * | 2009-09-21 | 2010-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Обнинский Центр Науки И Технологий" | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред |
| RU2533931C1 (ru) * | 2013-06-14 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111024797A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-17 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 | 一种覆膜传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8152978B2 (en) | Apparatus and method for measuring hydrogen concentration in molten metals | |
| SU1142783A1 (ru) | Устройство дл анализа газа с гальваническими чейками на твердом электролите | |
| US3915828A (en) | Solid electrolyte cell assembly | |
| RU90907U1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред | |
| RU2379672C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU2533931C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах | |
| RU2602757C2 (ru) | Датчик водорода в газовых средах | |
| RU2574423C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| US20120006097A1 (en) | Method and apparatus for monitoring gas concentration | |
| RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| US10962502B2 (en) | Hydrogen detector for gas and fluid media | |
| RU2548374C2 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах | |
| RU2489711C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах | |
| KR20060046932A (ko) | 고온 고압 수화학 환경을 위한 외부기준전극 | |
| RU164491U1 (ru) | Устройство для измерения рн с ионоселективными электродами | |
| JP2010054233A (ja) | 酸素濃度センサおよびその形成方法、並びに高温高圧水中の酸素濃度測定方法 | |
| JPS6111642Y2 (ru) | ||
| JPH0829379A (ja) | 溶融金属中の水素溶解量測定用センサ | |
| JP3855010B2 (ja) | 金属流体中の酸素濃度測定装置 | |
| SU1075137A1 (ru) | Электрохимический датчик кислорода | |
| PL170841B1 (pl) | Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach |