RU2599459C2 - Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах - Google Patents
Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2599459C2 RU2599459C2 RU2014153994/28A RU2014153994A RU2599459C2 RU 2599459 C2 RU2599459 C2 RU 2599459C2 RU 2014153994/28 A RU2014153994/28 A RU 2014153994/28A RU 2014153994 A RU2014153994 A RU 2014153994A RU 2599459 C2 RU2599459 C2 RU 2599459C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reaction chamber
- sorbent
- sensor
- hydrogen
- electrochemical sensor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к аналитическому приборостроению. Датчик кислорода электрохимический (1) установлен в реакционной камере (3). Селективная мембрана (4) замещает части стенки реакционной камеры (3). Часть реакционной камеры (3) заполнена сорбентом (5). Масса сорбента соответствует условию, учитывающему взаимосвязь объема реакционной камеры (3), плотности сорбента (5), ресурса работы датчика, температуры реакционной камеры (3), молярный массы сорбента (5) и молярной доли содержания воды в нем, объемного расхода паров воды, уходящих из реакционной камеры, парциального давления паров воды для сорбента (5) при заданной температуре в реакционной камере (3) и универсальной газовой постоянной. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения концентрации водорода и улучшение эргономических характеристик датчика водорода. 2 ил.
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в энергетике, химической технологии, металлургии при анализе концентрации водорода в смесях газов, парах воды и жидких металлах в широком интервале температур и давлений.
Известна конструкция датчика водорода, использующая зависимости электропроводности некоторых металлов (Ni, Pt, Pd) от давления водорода. Чувствительный элемент данной конструкции выполнен из сплава палладия с серебром. По величине электросопротивления чувствительного элемента рассчитывается концентрация водорода в исследуемой среде [Сборник тезисов докладов. Межотраслевая конференция «Теплофизика-91» Система определения водорода в защитных газах для обеспечения работ со щелочными металлами. Е.А. Кочеткова, Г.И. Линник, C.H. Скоморохова, А.С. Кудинов, с. 137].
Недостатком известного технического решения является быстрая потеря чувствительности датчика водорода из-за насыщения чувствительного элемента водородом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является электрохимический датчик водорода в газовых и жидких средах [Патент на изобретение РФ №2120624 от 20.10.1998]. Датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах включает датчик кислородный электрохимический, реакционную камеру, селективную мембрану, измерительное устройство. Датчик кислородный электрохимический включает герметичный корпус с установленным внутри него керамическим электрическим изолятором, закрытым с одного торца пробкой электролита, тоководы, опорный и измерительный электроды, селективную по водороду мембрану
Недостатки известного технического решения:
Во-первых, относительно высокая погрешность показаний датчика концентрации водорода из-за отсутствия стабилизации давления паров воды в реакционной камере, которые могут постоянно утекать из реакционной камеры через соединения керамики датчика кислорода, а также на окисление металла реакционной камеры и датчика кислородного электрохимического.
Во-вторых, необходимость постоянной поверки датчика концентрации водорода в специальной метрологической установке из-за возможности постоянного смещения показаний датчика водорода, вызванных изменением парциального давления паров воды в реакционной камере.
Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно:
снижение погрешности показаний датчика концентрации водорода, вызванного возможностью утечки паров воды из реакционной камеры и исключения постоянной поверки показаний датчика кислородного электрохимического.
Для исключения указанных недостатков в электрохимическом датчике концентрации водорода в газовых и жидких средах, включающем герметичную реакционную камеру, датчик кислородный электрохимический, установленный в реакционной камере и подсоединенный к измерительному устройству, селективную мембрану, замещающую часть стенки реакционной камеры, измерительное устройство, предлагается массу сорбента обеспечить в соответствии с условиями, учитывающими объем реакционной камеры, плотность сорбента, ресурс работы датчика, температуру рабочей камеры, молярную массу сорбента и молярную долю содержания воды в нем, объемный расход воды из рабочей камеры, парциальное давление паров воды сорбента при заданной температуре электрохимического датчика в реакционной камере и универсальную газовую постоянную.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено продольное осевое сечение электрохимического датчика концентрации водорода, а на фиг. 2 представлена зависимость давления паров воды от температуры над гидроксидами бария, стронция и кальция. На фиг. 1 приняты следующие позиционные обозначения: 1 - датчик кислородный электрохимический, 2 - измерительное устройство, 3 - реакционная камера, 4 - селективная мембрана, 5 - сорбент.
Сущность изобретения заключается в следующем. Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах включает реакционную камеру 3, датчик кислородный электрохимический 1, селективную мембрану 4, измерительное устройство 2 и сорбент 5. Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах включает герметичную реакционную камеру 3. Датчик кислородный электрохимический 1 установлен в реакционной камере 3 и подсоединен к измерительному устройству 2. Селективная мембрана 4 замещает часть стенки реакционной камеры 3. Часть реакционной камеры 3 заполнена сорбентом 5, масса которого обеспечивается в соответствии с условиями, учитывающими объем реакционной камеры 3, плотность сорбента 5, ресурс работы датчика кислородного электрохимического 1, температуру рабочей камеры 3, молярную массу сорбента 5 и молярную долю содержания воды в нем, объемный расход воды из рабочей камеры 3, парциальное давление паров воды сорбента 5 при заданной температуре датчика кислородного электрохимического 1 в реакционной камере 3 и универсальную газовую постоянную. Сорбентом 5 обеспечивается количественно точное регулирование величины парциального давления паров воды, в частности, гидроксидом бария, гидроксидом стронция или гидроксидом кальция. В соответствии с фиг. 2, представленной в работе [Б.В. Некрасов. Основы общей химия. Т. 2. Издание «Химия» 1973 г, с. 171], парциальное давление паров воды, например, при температуре 803 К для гидроксида бария составляет 100 Па, для гидроксида стронция - 2000 Па, для гидроксида кальция - 0,8·105 Па. Данное значение паров воды приведено для температуры, при которой обеспечивается надежная работа датчика кислородного электрохимического 1 и большой ресурс при его эксплуатации. В зависимости от особенностей конструкции датчика водорода, требования к чувствительности работы, и т.д. может выбираться соответствующий сорбент 5. При использовании гидроксида бария такой датчик водорода обладает наибольшим запасом по воде и будет работать при минимальном давлении паров воды.
Масса соответствующего сорбента 5 может быть определена из следующего условия:
где V - объем реакционной камеры 3 между пробкой и селективной мембраной 4, м3; ρ - плотность сорбента 5, кг/м3; m - масса сорбента 5, кг; τ - ресурс работы датчика кислородный электрохимический 1, час; δ - молярная доля воды в сорбенте 5; Т - температура реакционной камеры 3, К; µ - молярная масса сорбента 5, кг/моль; w - объемный расход воды из реакционной камеры 3, м3/час; Р - парциальное давление паров воды сорбента 5 при заданной температуре датчика кислородного электрохимического 1 в реакционной камере 3, Па; R - универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/(моль·K).
Условие (1) следует из уравнения Менделеева-Клапейрона, в котором полный объем паров воды определяется через произведение ее объемного расхода на время эксплуатации датчика кислородного электрохимического 1, а пары воды перессчитаны на вес и молярную массу сорбента 5, поставляющего эту воду, по формуле
Для гидроксидов бария, стронция и кальция молярная доля воды в сорбенте 5 (коэффициент δ) равен единице.
Устройство работает следующим образом.
С датчика кислородного электрохимического 1 снимаются показания ЭДС, которые соответствуют концентрации кислорода в реакционной камере 3. По измеренным показаниям ЭДС, в соответствии с уравнением Нернста, с учетом температуры, определяется пересчетом величина активности кислорода в измеряемой среде. Величина активности кислорода может быть выражена через его концентрацию. Показания ЭДС датчика кислородного электрохимического 1, измеряющего концентрацию кислорода, в свою очередь, определяются химической реакцией образования воды, происходящей в реакционной камере 3:
В реакционную камеру 3 через селективную мембрану 4 поступает Н2, который смещает равновесие реакции из условия (1) в сторону уменьшения концентрации кислорода, по величине изменения которого определяется концентрация Н2 в реакционной камере 3.
В общем случае изменение показаний ЭДС датчика водорода удобно представлять как функцию изменения натурального логарифма концентрации водорода по формуле
где ΔЕ - изменение показаний ЭДС датчика водорода при измерении концентрации водорода, В; С1 - начальное значение концентрации водорода, г/м3, С2 - конечное значение концентрации водорода, г/м3; Т - температура, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K); F - число Фарадея, Кл/моль; n - число электронов, участвующих в реакции.
При поддержании постоянного парциального давления паров воды, показания такого датчика будут зависеть только от изменения парциального давления водорода.
Это требование в предлагаемой конструкции датчика выполняется за счет размещения в реакционной камере сорбента, автоматически поддерживающего определенное давление паров воды.
Пример конкретного исполнения устройства.
Чувствительный элемент датчика кислородного электрохимического 1 выполнен из стабилизированного оксидом иттрия оксида циркония. Измерительный электрод датчика кислородного электрохимического 1 выполнен из пористой платины, а опорный электрод - из смеси Bi-Bi2O3.
Реакционная камера 3 выполнена в виде цилиндрической насадки на датчик кислородный электрохимический 1 из ферритно-мартенситной стали ЭИ852 (Х13М2С2), имеет объем 0,6·10-6 м3.
Селективная мембрана 4 приварена к круглому торцу реакционной камеры 3, имеет диаметр 10 мм и выполнена из никелевого сплава толщиной 0,15 мм, марки НР0.
Сорбент 5 - порошок Sr(OH)2 марки «Ч» (ТУ-42-60-71), с плотностью 3,62 кг/м3 и массой 1·10-3 кг.
В качестве измерительного устройства 2 используется электронный самописец, который фиксирует показания ЭДС с датчика водорода и температуру.
Для проверки работоспособности датчика водорода в специальную измерительную установку, в которую вмонтирован датчик водорода, подавалась аргоно-водородная смесь. При парциальном давлении водорода 103 Па и при температуре 803 К показание ЭДС датчика водорода составило 310 мВ, а при парциальном давлении водорода 104 Па и при той же температуре ЭДС - 390 мВ.
При прочих равных условиях, указанных ранее для устройства без заявленного сорбента, происходит непроизвольное изменение показаний ЭДС датчика водорода - 40 мВ в сутки, что соответствует значению погрешности более 50% и требует постоянной тарировки датчика водорода. Для устройства с сорбентом непроизвольного изменения показаний ЭДС датчика водорода не происходит.
При этих параметрах испытаний по условию (1) может быть рассчитана необходимая и достаточная масса сорбента и в реакционной камере 3. При объемном расходе паров воды w=1,2·10-18 м3/час из реакционной камеры 3, парциальном давлении Ρ=2000 Па в реакционной камере 3 паров воды сорбента 5, соответствующих температуре 803 К в реакционной камере 3 (фиг. 2), молярной массе сорбента для гидроксида стронция µ=122·10-3 кг/моль, объеме V=0,6·10-6 м3 реакционной камеры 3 и заданном ресурсе работы датчика τ=10 лет масса сорбента m в реакционной камере составляет не менее 0,01·10-3 кг.
Максимальное количество сорбента m в виде Sr(OH)2, которое может быть размешено в реакционной камере 3 объемом 0,6·10-6 м3, будет составлять, согласно условию (1), m~V·ρ=2,7·10-3 кг.
Таким образом, погрешность измерения концентрации водорода, вызванная возможными утечками паров воды из реакционной камеры, может составлять для прототипа 100% и более в течение суток.
При этом время между необходимыми поверками датчика водорода в специальной метрологической установке может составлять 2 суток или даже менее. Данная систематическая погрешность, обусловленная возможностью утечки паров воды из рабочей камеры без ее восполнения, отсутствует в предлагаемой нами конструкции датчика.
Технический результат - повышение точности измерения концентрации водорода и улучшение эргономических характеристик датчика водорода.
Claims (1)
- Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах, включающий герметичную реакционную камеру, датчик кислородный электрохимический, установленный в реакционной камере и подсоединенный к измерительному устройству, селективную мембрану, замещающую часть стенки реакционной камеры, отличающийся тем, что по меньшей мере часть реакционной камеры заполнена сорбентом, массу сорбента выбирают из условия
где
V - объем реакционной камеры, м3;
ρ - плотность сорбента, кг/м3;
m - масса сорбента, кг;
τ - ресурс работы датчика, час;
δ - молярная доля воды в сорбенте;
Т - температура реакционной камеры, К;
µ - молярная масса сорбента, кг/моль;
w - объемный расход воды из реакционной камеры, м3/час;
Р - парциальное давление паров воды сорбента при заданной температуре датчика кислородного электрохимического в реакционной камере, Па;
R - универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/(моль·K).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014153994/28A RU2599459C2 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014153994/28A RU2599459C2 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014153994A RU2014153994A (ru) | 2016-07-20 |
| RU2599459C2 true RU2599459C2 (ru) | 2016-10-10 |
Family
ID=56413303
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014153994/28A RU2599459C2 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2599459C2 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6006582A (en) * | 1998-03-17 | 1999-12-28 | Advanced Technology Materials, Inc. | Hydrogen sensor utilizing rare earth metal thin film detection element |
| RU2379672C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2010-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | 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 |
-
2014
- 2014-12-30 RU RU2014153994/28A patent/RU2599459C2/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6006582A (en) * | 1998-03-17 | 1999-12-28 | Advanced Technology Materials, Inc. | Hydrogen sensor utilizing rare earth metal thin film detection element |
| RU2379672C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2010-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014153994A (ru) | 2016-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3045900B1 (en) | Hydrogen sensor element for measuring concentration of hydrogen gas dissolved in liquid and method for measuring concentration of hydrogen gas using same | |
| Hersch | Trace monitoring in gases using galvanic systems | |
| US3598711A (en) | Electrochemical oxygen analyzer | |
| EP3372998B1 (en) | Sensor and method for measuring content of hydrogen in metal melt | |
| KR102136004B1 (ko) | 감지부의 잔존 수명을 추정할 수 있는 음주측정기 | |
| EP1025438A2 (en) | Combustibility monitor and monitoring method | |
| RU2599459C2 (ru) | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах | |
| RU108142U1 (ru) | Контрольная печь | |
| Midgley | Investigations into the use of gas-sensing membrane electrodes for the determination of carbon dioxide in power station waters | |
| Baker et al. | The galvanic cell oxygen analyzer | |
| US10900928B2 (en) | Gas sensor | |
| US8382974B2 (en) | Sensor to measure a concentration of alkali alcoholate | |
| RU2761936C1 (ru) | Способ определения объемной доли водорода в газах и устройство его реализующее | |
| RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| KR102330982B1 (ko) | 날숨 온도 측정 기능을 구비한 음주측정기 | |
| RU63534U1 (ru) | Устройство для измерения концентрации кислорода | |
| RU2120624C1 (ru) | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах | |
| JP4588328B2 (ja) | 発熱量算出装置及びその方法、並びに発熱量測定システム | |
| RU180403U1 (ru) | Датчик определения концентрации кислорода в газовой смеси | |
| RU218460U1 (ru) | Электрохимический детектор газов и паров | |
| RU2665792C1 (ru) | Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды | |
| US20060254908A1 (en) | Electrochemical solid electrolyte sensor for the detection of oxygen, hydrocarbons and moisture in vacuum environments | |
| JP3962583B2 (ja) | 電気化学式ガスセンサ | |
| JP4912968B2 (ja) | 非メタン炭化水素ガス検知素子 | |
| RU164491U1 (ru) | Устройство для измерения рн с ионоселективными электродами |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant |