RU55143U1

RU55143U1 - OXYGEN SENSOR

Info

Publication number: RU55143U1
Application number: RU2005121214/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Павлович Пирог; Александр Михайлович Габа; Сергей Федорович Новицкий; Алевтина Николаевна Протопопова; Галина Васильевна Кюрс
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2006-07-27

Abstract

Предлагаемая полезная модель кислородного датчика относится к области аналитического приборостроения. Цель полезной модели - повышение точности измерений, улучшение стабильности параметров и их воспроизводимости при серийном изготовлении. Предлагаемый кислородный датчик содержит нагреватель, термопару и твердоэлектролитную ячейку на основе диоксида циркония, обладающего кислородионной проводимостью, с электродами из пористого газопроницаемого материала, катодная камера которой соединена с анализируемым газом через диффузионный барьер. Новым является то, что в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним диаметром канала 0,7-1,2 мм и длиной 40-80 мм, конструктивно совмещенный с деталями газового тракта анализируемой среды и катодной камерой твердоэлектролитной ячейки, размещенной внутри нагревателя, создающего равномерное температурное поле в рабочей области измерений. Предложенное решение позволяет повысить точность измерений, улучшить стабильность параметров и их воспроизводимость при изготовлении. Изготовлены образцы кислородного датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения объемной доли кислорода в кислородоазотной и кислородоаргонной газовых смесях в диапазоне 98...100% с абсолютной.погрешностью ±0,1%. Предлагаемый кислородный датчик иллюстрируется чертежомThe proposed utility model of an oxygen sensor relates to the field of analytical instrumentation. The purpose of the utility model is to increase the accuracy of measurements, improve the stability of parameters and their reproducibility in serial production. The proposed oxygen sensor contains a heater, a thermocouple and a solid electrolyte cell based on zirconia with oxygen conductivity, with electrodes made of porous gas-permeable material, the cathode chamber of which is connected to the analyzed gas through a diffusion barrier. What is new is that a capillary made of a solid electrolyte based on zirconium dioxide with an internal channel diameter of 0.7-1.2 mm and a length of 40-80 mm, structurally combined with the parts of the gas path of the analyzed medium and the cathode chamber of the solid electrolyte cell, is used as a diffusion barrier placed inside the heater, creating a uniform temperature field in the working area of the measurements. The proposed solution allows to increase the accuracy of measurements, to improve the stability of parameters and their reproducibility in the manufacture. Samples of the oxygen sensor were made. Experimental studies have confirmed the possibility of measuring the volume fraction of oxygen in oxygen-nitrogen and oxygen-argon gas mixtures in the range of 98 ... 100% with an absolute error of ± 0.1%. The proposed oxygen sensor is illustrated in the drawing.

Description

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в газоанализаторах для измерения концентраций кислорода в газовых смесях состава "кислород-азот", "кислород-аргон".The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used in gas analyzers for measuring oxygen concentrations in gas mixtures of the oxygen-nitrogen, oxygen-argon composition.

Известен датчик, основанный на термомагнитном методе определения концентраций кислорода в газах (технические условия ИБЯЛ.413231.002 ТУ-94 на газоанализатор ГТМ-5101М).A known sensor based on the thermomagnetic method for determining the concentration of oxygen in gases (technical conditions IBYAL.413231.002 TU-94 for gas analyzer GTM-5101M).

Принцип работы термомагнитного датчика основан на парамагнитных свойствах кислорода. Под действием магнитного поля возникает термомагнитная конвекция кислорода, содержащегося в потоке анализируемого газа, пропускаемого через кольцевой газопровод. По внутреннему диаметру газопровода имеется соединительный газоход, находящийся под действием магнитного поля. В газоходе устанавливается поток газа, интенсивность которого зависит от концентрации кислорода. Поток газа охлаждает платиновые проволоки, являющиеся плечами измерительного моста постоянного тока. Напряжение разбаланса моста измеряется прибором, отградуированным в единицах концентрации по кислороду.The principle of operation of the thermomagnetic sensor is based on the paramagnetic properties of oxygen. Under the influence of a magnetic field, thermomagnetic convection of the oxygen contained in the stream of the analyzed gas passing through the annular gas pipeline arises. According to the internal diameter of the gas pipeline there is a connecting gas duct under the influence of a magnetic field. A gas stream is established in the gas duct, the intensity of which depends on the oxygen concentration. The gas flow cools the platinum wires, which are the shoulders of the DC measuring bridge. The unbalance voltage of the bridge is measured by a device calibrated in units of concentration by oxygen.

К недостаткам этого датчика следует отнести невысокую точность измерений (абсолютная погрешность ±0,2%) и недостаточную стабильность во времени, что приводит к необходимости проведения частой градуировки по поверочным газовым смесям в процессе эксплуатации.The disadvantages of this sensor include low measurement accuracy (absolute error ± 0.2%) and insufficient stability over time, which leads to the need for frequent calibration of calibration gas mixtures during operation.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является кислородный датчик (патент США №4571285, кл. G 01 N 27/56, 1986 г.), имеющий кожух из материала на основе диоксида циркония с отверстием диаметром 10-50 мкм с длиной канала 1 мм, использовавшийся в качестве диффузионного барьера, проводящую пластину из аналогичного материала, обладающего кислородионной проводимостью при температуре 350-450⁰С, два пленочных электрода на противоположных сторонах этой пластины, которая с помощью стеклянного спая укреплена на одной стороне кожуха и образует вместе с ним диффузионную катодную камеру, рабочая температура в которой создается нагревательным Closest to the claimed utility model is an oxygen sensor (US patent No. 4571285, class G 01 N 27/56, 1986), having a casing of zirconia-based material with an opening with a diameter of 10-50 μm with a channel length of 1 mm, used as a diffusion barrier, a conductive plate of a similar material with oxygen conductivity at a temperature of 350-450 ⁰ C, two film electrodes on opposite sides of this plate, which is attached with a glass junction to one side of the casing and forms with it diffusion cathode chamber, the operating temperature of which is created by heating

элементом, размещенным внутри камеры. При проведении измерений электроды подключаются к источнику напряжения для подачи на них электрического потенциала, под действием которого ионы кислорода переносятся сквозь пластину, создавая между электродами ток, величина которого характеризует концентрацию кислорода в анализируемой газовой среде.element placed inside the camera. During measurements, the electrodes are connected to a voltage source to supply them with an electric potential, under the influence of which oxygen ions are transported through the plate, creating a current between the electrodes, the value of which characterizes the concentration of oxygen in the analyzed gas medium.

Существенными недостатками рассматриваемого датчика являются недостаточная точность измерений (абсолютная погрешность ±0,5%) и сложность получения воспроизводимых градуировочных характеристик датчиков этого типа, что связано с технологическими трудностями изготовления одинаковых отверстий из-за их малости и расположения нагревателя внутри катодной камеры, что не позволяет создать равномерное температурное поле в рабочей области измерений.Significant disadvantages of the sensor under consideration are the lack of measurement accuracy (absolute error ± 0.5%) and the difficulty of obtaining reproducible calibration characteristics of sensors of this type, which is associated with technological difficulties in manufacturing the same holes due to their small size and the location of the heater inside the cathode chamber, which does not allow create a uniform temperature field in the working area of measurements.

Целью полезной модели является повышение точности измерений, улучшение стабильности параметров и их воспроизводимость при изготовлении.The purpose of the utility model is to increase the accuracy of measurements, improve the stability of parameters and their reproducibility in the manufacture.

Поставленная цель тем, что в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним диаметром канала 0,8 мм и длиной 50 мм, конструктивно совмещенный с деталями газового тракта анализируемой среды и катодной камерой твердоэлектролитной ячейки, размещенной внутри нагревателя, создающего равномерное температурное поле в рабочей области измерений.The goal is that a capillary made of a solid electrolyte based on zirconium dioxide with an internal channel diameter of 0.8 mm and a length of 50 mm is used, which is structurally combined with the details of the gas path of the analyzed medium and the cathode chamber of the solid electrolyte cell placed inside the heater, which creates uniform temperature field in the working area of measurements.

На фигуре приведен чертеж кислородного датчика, реализируещего диффузионный метод. Датчик содержит твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ), включающую пробирку 1 из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним 2 и внешним 3 электродами из пористого газопроницаемого металла, выведенными на контакты 4 и 5. К пробирке герметично подсоединен капилляр 6, выполненный из твердого электролита на основе диоксида циркония, который служит диффузионным барьером и омывается потоком анализируемого газа, поступающим через штуцер 7 ВХОД ГАЗА. В качестве анализируемого газа используется газовая смесь кислород-азот или кислород-аргон. Равномерное температурное поле в рабочей области ТЭЯ создается нагревателем 8, к контактам 9 и 10 которого подается напряжение от регулируемого источника питания (на чертеже не показан). Температура устанавливается постоянной величиной 750°С, а ее контроль осуществляется термопарой 11.The figure shows a drawing of an oxygen sensor that implements the diffusion method. The sensor contains a solid electrolyte cell (TEJ), including a tube 1 of a solid electrolyte based on zirconium dioxide with an internal 2 and external 3 electrodes of a porous gas-permeable metal, brought to contacts 4 and 5. A capillary 6 made of a solid electrolyte based on a solid electrolyte is hermetically connected to the tube zirconium dioxide, which serves as a diffusion barrier and is washed by the flow of the analyzed gas entering through the nozzle 7 GAS INPUT. As the analyzed gas, a gas mixture of oxygen-nitrogen or oxygen-argon is used. A uniform temperature field in the operating region of the thermoelectric heater is created by the heater 8, to the terminals 9 and 10 of which voltage is supplied from an adjustable power source (not shown in the drawing). The temperature is set to a constant value of 750 ° C, and its control is carried out by thermocouple 11.

В рабочем режиме под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания к электродам ТЭЯ (плюс источника - к наружному электроду), кислород извлекается из катодной камеры и переносится через твердый электролит в окружающую среду, а в катодной камере накапливается азот или аргон. По мере накопления возрастает поток азота (аргона), направленный из катодной камеры ТЭЯ в анализируемый газ, который по каналу 12 через штуцер 13 сбрасывается в дренаж, соединенный с окружающей средой. С течением времени устанавливается стационарное состояние, когда диффузионный поток азота (аргона) из катодной камеры ТЭЯ становится равным потоку азота (аргона), поступающему в катодную камеру. При этом поток кислорода через диффузионный барьер в катодную камеру имеет постоянное значение.In the operating mode, under the action of a voltage applied from an external power source to the TEI electrodes (plus a source to the external electrode), oxygen is extracted from the cathode chamber and transferred through the solid electrolyte to the environment, and nitrogen or argon accumulates in the cathode chamber. As the accumulation increases, the flow of nitrogen (argon) directed from the cathode chamber of the TEJ into the analyzed gas, which is discharged through the channel 12 through the nozzle 13 into a drain connected to the environment. Over time, a stationary state is established when the diffusion flux of nitrogen (argon) from the cathode chamber of the TEJ becomes equal to the flux of nitrogen (argon) entering the cathode chamber. In this case, the flow of oxygen through the diffusion barrier into the cathode chamber has a constant value.

Ток, протекающий через ТЭЯ в процессе достижения стационарного состояния, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током.The current flowing through the TEJ in the process of reaching a stationary state changes, reaching a constant value when the stationary state is established, called the limiting diffusion current.

Объемная доля кислорода в анализируемом газе связана с предельным диффузионным током соотношением:The volume fraction of oxygen in the analyzed gas is related to the limiting diffusion current by the ratio:

C=100[1-exp(-k·I)]C = 100 [1-exp (-k · I)]

где С - объемная доля кислорода в анализируемом газе, %where C is the volume fraction of oxygen in the analyzed gas,%

I - предельный диффузионный ток, АI - limiting diffusion current, A

100 - коэффициент, позволяющий выразить объемную долю в процентах, %100 - coefficient allowing to express the volume fraction in percent,%

k - коэффициент, зависящий от длины капилляра, диаметра его внутреннего канала, от рабочих условий ТЭЯ и коэффициента диффузии, 1/А.k is a coefficient depending on the length of the capillary, the diameter of its inner channel, on the operating conditions of the EMT and the diffusion coefficient, 1 / A.

Капилляр устанавливается в корпусе 14 и герметизируется втулкой из фторопласта 15, и прокладками из резины 16 и фторопласта 17. Нагреватель 8 и корпус 14 установлены на основании 18.The capillary is installed in the housing 14 and sealed with a sleeve of fluoroplastic 15, and gaskets made of rubber 16 and fluoroplastic 17. The heater 8 and the housing 14 are installed on the base 18.

Экспериментальные исследования кислородного датчика и испытания его в составе газоанализатора кислорода подтвердили возможность измерения объемной доли кислорода в кислородоазотной (кислородоаргонной) газовых смесях в диапазоне 98...100% с абсолютной погрешностью ±0,1%.Experimental studies of the oxygen sensor and testing it as part of an oxygen gas analyzer confirmed the possibility of measuring the volume fraction of oxygen in oxygen-nitrogen (oxygen-argon) gas mixtures in the range of 98 ... 100% with an absolute error of ± 0.1%.

Организован серийный выпуск кислородных датчиков в составе газоанализаторов кислорода.The serial production of oxygen sensors as part of oxygen gas analyzers was organized.

Claims

An oxygen sensor containing a heater, a thermocouple and a solid electrolyte cell made of zirconia with oxygen reducibility, with deposited electrodes of a porous gas-permeable material, the cathode chamber of which is connected to the analyzed gas through a diffusion barrier, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements, improve stability parameters and their reproducibility in the manufacture, a capillary made of a solid electrolyte based on zirco dioxide was used as a diffusion barrier Ia with an internal channel diameter of 0.8 mm and a length of 50 mm, structurally combined with parts of the gas path and the cathode chamber solid electrolyte cell, placed inside the heater, creating a uniform temperature field in the working area measurements.