RU57012U1 - SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA - Google Patents

SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA Download PDF

Info

Publication number
RU57012U1
RU57012U1 RU2006118005/22U RU2006118005U RU57012U1 RU 57012 U1 RU57012 U1 RU 57012U1 RU 2006118005/22 U RU2006118005/22 U RU 2006118005/22U RU 2006118005 U RU2006118005 U RU 2006118005U RU 57012 U1 RU57012 U1 RU 57012U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
solid electrolyte
catalytic
electrode
electrodes
Prior art date
Application number
RU2006118005/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Павлович Пирог
Анатолий Константинович Семчевский
Александр Михайлович Габа
Геннадий Михайлович Мурзин
Сергей Федорович Новицкий
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АНГАРСКОЕ-ОКБА"
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 Общество с ограниченной ответственностью "АНГАРСКОЕ-ОКБА" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АНГАРСКОЕ-ОКБА"
Priority to RU2006118005/22U priority Critical patent/RU57012U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU57012U1 publication Critical patent/RU57012U1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения может быть использована в качестве датчика в газоанализаторах для измерения концентрации кислорода и окиси углерода в системах газового анализа и экологическом мониторинге окружающей среды. Цель полезной модели - расширение области применения. Предлагаемый датчик состоит из двух потенциометрических твердоэлектролитных ячеек и дополнительной кулонометрической твердоэлектролитной ячейки, изготовленных из твердого электролита состава 0,8ZrO2+0,15Y2O3. Общий электрод из мелкодисперсной платины потенциометрических ячеек нанесен на внутреннюю поверхность капилляра и является эталонным для обеих ячеек. На наружной поверхности капилляра над эталонным электродом нанесены два изолированных друг от друга измерительных электрода. Первый электрод аналогично эталонному электроду выполнен из мелкодисперсной платины и обладает высокой каталитической активностью по отношению к реакции горения. Второй измерительный электрод выполнен из некаталитического материала, представляющего собой композицию на основе карбида кремния и закиси меди и обладает низкой восстановительной способностью. Капилляр вместе с электродами образует две потенциометрические твердоэлектролитные ячейки с общим эталонным электродом. Эталонная концентрация кислорода создается с помощью дополнительной твердоэлектролитной ячейки, работающей в кулонометрическом режиме. На внутреннюю и наружную поверхности конуса, изготовленного из твердого электролита нанесены из мелкодисперсной платины электроды: внутренний - анод, наружный - катод. The proposed utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a sensor in gas analyzers for measuring the concentration of oxygen and carbon monoxide in gas analysis systems and environmental monitoring. The purpose of the utility model is to expand the scope. The proposed sensor consists of two potentiometric solid electrolyte cells and an additional coulometric solid electrolyte cell made of a solid electrolyte composition of 0.8ZrO 2 + 0,15Y 2 O 3 . A common electrode of finely dispersed platinum of potentiometric cells is deposited on the inner surface of the capillary and is a reference for both cells. On the outer surface of the capillary above the reference electrode, two measuring electrodes isolated from each other are applied. The first electrode is similar to the reference electrode made of finely dispersed platinum and has a high catalytic activity with respect to the combustion reaction. The second measuring electrode is made of non-catalytic material, which is a composition based on silicon carbide and copper oxide and has a low reduction ability. The capillary together with the electrodes forms two potentiometric solid electrolyte cells with a common reference electrode. The reference oxygen concentration is created using an additional solid electrolyte cell operating in the coulometric mode. On the inner and outer surfaces of a cone made of solid electrolyte, electrodes are made of finely dispersed platinum: inner - anode, outer - cathode.

Капилляр и конус с помощью высокотемпературного диэлектрического клея соединены таким образом, что их внутренне пространство образует общую внутреннюю камеру, в которой расположены эталонный электрод потенциометрических ячеек и анод кулонометрической ячейки. Катод кулонометрической ячейки и измерительные каталитический и некаталитический электроды расположены в анализируемой среде. Необходимая температура в рабочей зоне потенциометрических ячеек создается нагревательным устройством, а ее контроль осуществляется термопарой, размещенной между каталитическим и некаталитическим измерительными электродами. Кулонометрическая ячейка создает в общей внутренней камере концентрацию кислорода равную 100%, которая является эталонной. Измеряя разность потенциалов между измерительным каталитическим, измерительным некаталитическим и эталонным электродами можно определять концентрацию кислорода и окиси углерода в анализируемой среде. Предлагаемый датчик иллюстрируется чертежом.The capillary and cone are connected using high-temperature dielectric glue in such a way that their inner space forms a common inner chamber, in which the reference electrode of potentiometric cells and the anode of the coulometric cell are located. The cathode of the coulometric cell and the measuring catalytic and non-catalytic electrodes are located in the analyzed medium. The required temperature in the working area of the potentiometric cells is created by the heating device, and its control is carried out by a thermocouple placed between the catalytic and non-catalytic measuring electrodes. The coulometric cell creates an oxygen concentration of 100% in the common inner chamber, which is a reference. By measuring the potential difference between the measuring catalytic, measuring non-catalytic and reference electrodes, it is possible to determine the concentration of oxygen and carbon monoxide in the analyzed medium. The proposed sensor is illustrated in the drawing.

Description

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика в газоанализаторах для измерения концентрации кислорода и окиси углерода в системах газового анализа и экологическом мониторинге окружающей среды.The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a sensor in gas analyzers for measuring the concentration of oxygen and carbon monoxide in gas analysis systems and environmental monitoring.

Известен датчик, используемый при инфракрасном методе газового анализа (Холод В.П. и др. "Методы и средства аналитического контроля выхлопных газов автомобилей", ЦНИИТЭИ приборостроения, М., 1980 г.).A known sensor used in the infrared method of gas analysis (V.P. Kholod and others. "Methods and tools for analytical control of automobile exhaust", TsNIITEI instrument making, M., 1980).

В датчике инфракрасных газоанализаторов используется способность избирательного поглощения инфракрасного (ИК) излучения анализируемой смесью: основные элементы выхлопных газов (окислы азота, окись и двуокись углерода, углеводороды) обладают способностью поглощать ИК излучения определенной длины волны, в то время как чистые газы (азот, водород, гелий) такой способностью не обладают.The infrared gas analyzer sensor uses the ability to selectively absorb infrared (IR) radiation by the analyzed mixture: the main elements of the exhaust gases (nitrogen oxides, carbon monoxide and carbon dioxide, hydrocarbons) are capable of absorbing infrared radiation of a certain wavelength, while pure gases (nitrogen, hydrogen) , helium) do not possess such ability.

По спектру поглощения можно идентифицировать виды молекул, а по интенсивности поглощения - определить концентрацию данного компонента. Поскольку каждый газ имеет индивидуальный спектр поглощения, появляется возможность селективного анализа концентрации данного компонента. В таком датчике используется недисперсионный инфракрасный метод (НДИК) - без разложения луча в спектр. Исследуемый газ под небольшим избыточным давлением пропускают через расположенную на пути измерительного луча аналитическую камеру. На пути второго луча в камере сравнения находится чистый газ, который не поглощает излучения. Излучение от двух последовательно соединенных спиралей накаливания после прохождения аналитической камеры и камеры сравнения, попадает в две приемные камеры, которые заполнены измеряемым компонентом и разделены натянутой металлической мембраной. Попадающее излучение The types of molecules can be identified by the absorption spectrum, and the concentration of this component can be determined by the absorption intensity. Since each gas has an individual absorption spectrum, it becomes possible to selectively analyze the concentration of this component. Such a sensor uses the non-dispersive infrared method (NDIC) - without decomposing the beam into a spectrum. The test gas is passed under slight excess pressure through an analytical chamber located on the path of the measuring beam. On the path of the second beam in the comparison chamber is pure gas, which does not absorb radiation. The radiation from two incandescent spirals connected in series after passing through the analytical chamber and the comparison chamber falls into two receiving chambers, which are filled with the measured component and separated by a stretched metal membrane. Incident radiation

поглощается избирательно, только в областях, соответствующих характеристическим полосам поглощения газа в приемных камерах. Разность поглощенной камерами энергии зависит только от концентрации измеряемого компонента в аналитической камере. Поглощенная энергия создает разность температур и давлений в обеих приемных камерах. Вследствие вращения диафрагменного диска происходит модуляция соответствующих световых потоков, которая вызывает периодические изменения давления в приемных камерах. Разность давлений вызывает прогибание мембраны и связанное с этим изменение емкости конденсатора, образованного подвижной мембраной и неподвижным электродом.absorbed selectively, only in areas corresponding to the characteristic absorption bands of gas in the receiving chambers. The difference in the energy absorbed by the cameras depends only on the concentration of the measured component in the analytical chamber. The absorbed energy creates a temperature and pressure difference in both receiving chambers. Due to the rotation of the diaphragm disk, the corresponding light fluxes are modulated, which causes periodic pressure changes in the receiving chambers. The pressure difference causes the membrane to bend and the related change in capacitance of the capacitor formed by the movable membrane and the stationary electrode.

В связи с тем, что спектры поглощения окиси и двуокиси углерода несколько перекрываются в конструкцию датчика на пути хода обоих лучей установлены фильтрующие кюветы, заполненные мешающим компонентом -углекислым газом. В фильтрующих кюветах происходит поглощение всех излучений, длина волны которых одинакова для измеряемого и мешающего компонентов.Due to the fact that the absorption spectra of carbon monoxide and carbon dioxide overlap somewhat in the sensor design, filter cuvettes filled with an interfering component of carbon dioxide are installed on the path of both rays. In the filtering cells, all the radiation is absorbed, the wavelength of which is the same for the measured and interfering components.

К недостаткам датчика можно отнести:The disadvantages of the sensor include:

- сложность конструктивного оформления;- the complexity of the design;

- необходимость создания избыточного давления анализируемой газовой смеси;- the need to create excess pressure of the analyzed gas mixture;

- при работе необходимо обеспечивать тождественность световых потоков при двухлучевой оптической системе, достаточную интенсивность и стабильность потока излучения во времени;- when working, it is necessary to ensure the identity of the light flux in a two-beam optical system, sufficient intensity and stability of the radiation flux over time;

- при измерении определяется содержание только одного компонента - окиси углерода.- when measuring, the content of only one component is determined - carbon monoxide.

Известен также датчик для анализа содержания кислорода в газовой смеси и контроля полноты сгорания топлива (Волков А.Н. и др. "ЭДС электрохимических твердоэлектролитных ячеек с электродами, обладающими различной каталитической активностью". Электрохимия, T.XXV, вып.11, 1989 г.).Also known is a sensor for analyzing the oxygen content in the gas mixture and monitoring the completeness of fuel combustion (Volkov AN et al. "EMF of electrochemical solid electrolyte cells with electrodes having different catalytic activity". Electrochemistry, T.XXV, issue 11, 1989 .).

Датчик состоит из корпуса, помещенного в нагреватель. В корпусе герметично установлена твердоэлектролитная пробирка, в рабочей зоне которой поддерживается температура с точностью ± 5°С. Контроль за температурой в зоне анализа осуществляется термопарой. В качестве твердого электролита используется тонкостенная пробирка из диоксида циркония, стабилизированного 15 вес. % оксида иттрия. На внутреннем торце пробирки нанесен пористый платиновый электрод, называемый эталонным, на который подается воздух или другой газ с известным парциальным давлением кислорода. Измерительные электроды нанесены на наружной поверхности рабочей зоны пробирки. Один из измерительных электродов, аналогично эталонному, выполнен из пористой платины и обладает высокой каталитической активностью по отношению к реакции горения, второй измерительный электрод выполнен из некаталитического материала, представляющего собой композицию на основе карбида кремния и закиси меди.The sensor consists of a housing placed in the heater. A solid electrolyte test tube is sealed in the housing, in the working area of which the temperature is maintained with an accuracy of ± 5 ° С. Temperature control in the analysis zone is carried out by a thermocouple. As a solid electrolyte, a thin-walled tube made of zirconia stabilized with a weight of 15 is used. % yttrium oxide. A porous platinum electrode, called a reference electrode, is applied at the inner end of the tube, to which air or other gas with a known partial pressure of oxygen is supplied. Measuring electrodes are deposited on the outer surface of the test tube working area. One of the measuring electrodes, similar to the reference one, is made of porous platinum and has a high catalytic activity with respect to the combustion reaction, the second measuring electrode is made of non-catalytic material, which is a composition based on silicon carbide and copper oxide.

Газ на анализ подается под избыточным давлением в рабочую зону твердоэлектролитной пробирки, а затем сбрасывается в атмосферу. К выводам электродов подключены измерители ЭДС, которые измеряют разность потенциалов между эталонным и каталитическим, эталонным и некаталитическим, каталитическим и некаталитическим электродами. Подавая на эталонный электрод газ с известным парциальным давлением кислорода по разности потенциалов между эталонным и некаталитическим измерительным электродами можно определить парциальное давление кислорода в анализируемом газе. Измерив разность потенциалов между каталитическим и некаталитическим измерительными электродами можно определить количество кислорода, пошедшего на окисление горючих компонентов газовой смеси, а в соответствии с реакцией окисления можно определить количественное содержание горючих примесей в анализируемом газе.Gas for analysis is supplied under excess pressure to the working area of the solid-state electrolyte tube, and then discharged into the atmosphere. EMF meters are connected to the terminals of the electrodes, which measure the potential difference between the reference and catalytic, reference and non-catalytic, catalytic and non-catalytic electrodes. By applying a gas with a known partial oxygen pressure to the reference electrode from the potential difference between the reference and non-catalytic measuring electrodes, the partial pressure of oxygen in the analyzed gas can be determined. By measuring the potential difference between the catalytic and non-catalytic measuring electrodes, it is possible to determine the amount of oxygen used to oxidize the combustible components of the gas mixture, and in accordance with the oxidation reaction, the quantitative content of combustible impurities in the analyzed gas can be determined.

Недостатки датчика:Disadvantages of the sensor:

- элементы газовой и электрической схемы требуют тщательной герметизации;- elements of the gas and electrical circuits require careful sealing;

- на эталонный электрод необходимо подавать газ с известным парциальным давлением кислорода;- it is necessary to supply gas with a known partial pressure of oxygen to the reference electrode;

- газ на анализ необходимо подавать под избыточным давлением.- gas for analysis must be supplied under excess pressure.

Наиболее близким по технической сущности является датчик кислорода дымовых газов (Патент РФ №2099697 G 01 №27/419) позволяющий измерять концентрацию кислорода в дымовых газах.The closest in technical essence is the flue gas oxygen sensor (RF Patent No. 2099697 G 01 No. 27/419) that allows measuring the concentration of oxygen in flue gases.

Датчик кислорода содержит чувствительный элемент, выполненный в виде твердоэлектролитной потенциометрической ячейки с рабочим и сравнительным электродами, к которым подключен измеритель ЭДС, и дополнительную твердоэлектролитную ячейку, герметично соединенную с потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой диэлектрическим составом. Рабочий электрод потенциометрической ячейки и один из электродов дополнительной ячейки контактируют с анализируемой средой, а сравнительный электрод потенциометрической ячейки и второй электрод дополнительной ячейки расположены во внутренней камере, общей для обеих ячеек и соединенной с анализируемой средой капилляром длиной от 10 до 100 мм и внутренним диаметром от 0,1 до 1,5 мм. Электроды дополнительной ячейки соединены с источником тока в полярности плюс источника приложен к внутреннему электроду, а через ячейку пропускается постоянный ток в пределах от 10 до 100 мА.The oxygen sensor contains a sensitive element made in the form of a solid electrolyte potentiometric cell with a working and comparative electrodes to which an EMF meter is connected, and an additional solid electrolyte cell hermetically connected to the potentiometric solid electrolyte cell with a dielectric composition. The working electrode of the potentiometric cell and one of the electrodes of the additional cell are in contact with the analyzed medium, and the comparative electrode of the potentiometric cell and the second electrode of the additional cell are located in the inner chamber, common for both cells and connected to the analyzed medium by a capillary from 10 to 100 mm long and with an internal diameter of 0.1 to 1.5 mm. The electrodes of the additional cell are connected to the current source in polarity plus the source is applied to the internal electrode, and a constant current of 10 to 100 mA is passed through the cell.

Рассматриваемый датчик имеет следующие недостатки. Во-первых, он предназначен для измерения только одного компонента - кислорода. Во-вторых, все электроды выполнены из мелкодисперсной платины, а токоотводы - из платиновой проволоки. Этот материал обладает высокой каталитической активностью, поэтому при наличии в составе анализируемого газа восстановителей, часть кислорода уходит на окисление горючих компонентов газовой смеси. В результате этого снижается точность измерения концентрации кислорода в анализируемом газе.The sensor in question has the following disadvantages. Firstly, it is designed to measure only one component - oxygen. Secondly, all electrodes are made of finely dispersed platinum, and down conductors are made of platinum wire. This material has a high catalytic activity, therefore, if there are reducing agents in the composition of the analyzed gas, some of the oxygen goes to the oxidation of the combustible components of the gas mixture. As a result, the accuracy of measuring the concentration of oxygen in the analyzed gas is reduced.

Сущность полезной модели заключается в исключении указанных ранее недостатков.The essence of the utility model is to eliminate the above disadvantages.

На фигуре приведен чертеж предлагаемого датчика.The figure shows a drawing of the proposed sensor.

Во внутреннем канале капилляра 1, изготовленного из твердого электролита состава 0,85ZrO2+0,15Y2O3, нанесен пористый электрод из мелкодисперсной платины, в который в процессе изготовления вжигается платиновая проволока, являющаяся выводом электрода. Этот электрод 2 является эталонным (сравнительным). Измерительные электроды нанесены на наружной поверхности капилляра. Один из измерительных электродов 3 аналогично эталонному электроду выполнен из мелкодисперсной платины и обладает высокой каталитической активностью по отношению к реакции горения, второй измерительный электрод 4 выполнен из некаталитического материала, представляющего собой композицию на основе карбида кремния и закиси меди. Выводы от электродов 3 и 4 выполнены соответственно проволокой из платины и родия. Капилляр вместе с электродами является первой и второй потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой (ПТЭЯ-1 и ПТЭЯ-2).In the inner channel of capillary 1, made of a solid electrolyte of composition 0.85ZrO 2 + 0.15Y 2 O 3 , a porous electrode of finely dispersed platinum is deposited, into which a platinum wire is burned, which is the electrode outlet. This electrode 2 is a reference (comparative). Measuring electrodes are deposited on the outer surface of the capillary. One of the measuring electrodes 3, similarly to the reference electrode, is made of finely dispersed platinum and has high catalytic activity with respect to the combustion reaction, the second measuring electrode 4 is made of non-catalytic material, which is a composition based on silicon carbide and copper oxide. The conclusions from the electrodes 3 and 4 are made respectively by a wire of platinum and rhodium. The capillary together with the electrodes is the first and second potentiometric solid electrolyte cell (PTEY-1 and PTEY-2).

Дополнительная твердоэлектролитная ячейка выполнена в виде конуса 5 из состава, приведенного выше, и является кулонометрической твердоэлектролитной ячейкой (КТЭЯ). На внутреннюю и наружную поверхности нанесена мелкодисперсная платина, которая образует электроды. Внутренний электрод 6 ячейки является анодом, а наружный 7 - катодом. От каждого электрода выполнены выводы из платиновой проволоки.An additional solid electrolyte cell is made in the form of a cone 5 from the composition given above, and is a coulometric solid electrolyte cell (CTEC). Finely dispersed platinum is deposited on the inner and outer surfaces, which forms the electrodes. The inner electrode 6 of the cell is the anode, and the outer 7 is the cathode. From each electrode, platinum wire leads are made.

Капилляр и конус с помощью высокотемпературного диэлектрического клея соединены таким образом, что их внутреннее пространство образует общую внутреннюю камеру 8, в которой расположены эталонный электрод 2 потенциометрических ячеек и анод 6 кулонометрической ячейки. Внутренняя камера 8 соединена с помощью капилляра 1 с анализируемой средой. Капилляр 1 выбран длиной 100 мм и внутренним диаметром 1 мм.The capillary and cone are connected with a high-temperature dielectric glue in such a way that their inner space forms a common inner chamber 8, in which the reference electrode 2 of the potentiometric cells and the anode 6 of the coulometric cell are located. The inner chamber 8 is connected using a capillary 1 with the analyzed medium. Capillary 1 is selected with a length of 100 mm and an inner diameter of 1 mm.

С помощью токоотводов ПТЭЯ-1 и ПТЭЯ-2 подключены к измерителям ЭДС, не входящих в состав датчика, а кулонометрическая ячейка - к внешнему стабилизированному источнику тока. Датчик термостабилизирован нагревательным устройством 9, рабочая температура в зоне электродов потенциометрических ячеек поддерживается на уровне (700±2)°С, а контроль за температурой осуществляется термопарой 10. Все токоотводы и выводы термопары изолированы друг от друга керамическими трубками 11. Все элементы конструкции датчика скреплены кольцами 12 и зафиксированы во втулке 13 из нержавеющего металла, которая изолирована от нагревательного устройства неметаллической прокладкой 14. Потенциометрические и кулонометрическая ячейки являются чувствительным элементом датчика.Using current collectors PTEY-1 and PTEY-2 are connected to EMF meters that are not part of the sensor, and the coulometric cell is connected to an external stabilized current source. The sensor is thermally stabilized by the heating device 9, the working temperature in the area of the electrodes of the potentiometric cells is maintained at a level of (700 ± 2) ° С, and the temperature is controlled by a thermocouple 10. All current collectors and thermocouple leads are insulated from each other by ceramic tubes 11. All elements of the sensor construction are fastened rings 12 and are fixed in a sleeve 13 made of stainless metal, which is isolated from the heating device by a non-metallic gasket 14. The potentiometric and coulometric cells are tsya sensitive sensor element.

В режиме измерений чувствительный элемент находится в анализируемой среде, омывающей измерительные электроды (каталитический 3 ПТЭЯ-1 и некаталитический 4 ПТЭЯ-2) и катод 7 КТЭЯ.In the measurement mode, the sensitive element is in the analyzed medium, washing the measuring electrodes (catalytic 3 PTEI-1 and non-catalytic 4 PTEI-2) and cathode 7 CTEI.

Под действием напряжения от стабилизированного источника тока через КТЭЯ протекает ток, который переносится вследствие кислородоионной проводимости твердого электролита ионами кислорода. Ионы кислорода разряжаются на внутреннем электроде (аноде 6), образуя молекулы кислорода, которые выделяются в газовую фазу внутренней камеры 8 чувствительного элемента. Капилляр 1 затрудняет поступление газа из анализируемой среды во внутреннюю камеру чувствительного элемента. Подбором размера капилляров (по длине и внутреннему диаметру канала) и выбором величины тока дозирования через КТЭЯ достигаются условия, при которых внутренняя камера чувствительного элемента заполняется чистым кислородом при давлении, близком к давлению анализируемой среды. Чистый кислород омывает эталонный электрод потенциометрических ячеек и на нем возникает потенциал, пропорциональный парциальному давлению кислорода в сравнительной среде. Если анализируемый газ не содержит компонентов, способных к окислению (в данном случае СО), измерительные Under the action of a voltage from a stabilized current source, a current flows through the CTEC, which is transferred due to the oxygen-ion conductivity of the solid electrolyte by oxygen ions. Oxygen ions are discharged at the inner electrode (anode 6), forming oxygen molecules that are released into the gas phase of the inner chamber 8 of the sensing element. Capillary 1 impedes the flow of gas from the analyzed medium into the inner chamber of the sensing element. By selecting the size of the capillaries (along the length and inner diameter of the channel) and choosing the value of the dosing current through KTEY, the conditions are achieved under which the inner chamber of the sensing element is filled with pure oxygen at a pressure close to the pressure of the analyzed medium. Pure oxygen washes the reference electrode of potentiometric cells and a potential arises on it, proportional to the partial pressure of oxygen in the comparative medium. If the analyzed gas does not contain components capable of oxidation (in this case, CO), the measurement

электроды, омываемые анализируемым газом, имеют потенциал, пропорциональный парциальному давлению кислорода в этом газе.the electrodes washed by the analyzed gas have a potential proportional to the partial pressure of oxygen in this gas.

Разность потенциалов (ЭДС) между эталонным и измерительным электродом, в соответствии с формулой Нернста, равна:The potential difference (EMF) between the reference and measuring electrode, in accordance with the Nernst formula, is equal to:

где Е - ЭДС;where E is the EMF;

R -газовая постоянная;R is the gas constant;

Т - температура в зоне электродов;T is the temperature in the zone of the electrodes;

4 - число электронов, участвующих в электрохимической реакции;4 - the number of electrons involved in the electrochemical reaction;

F - число Фарадея;F is the Faraday number;

- парциальное давление кислорода на эталонном и любом из измерительных электродах, соответственно. - partial oxygen pressure on the reference and any of the measuring electrodes, respectively.

Если в анализируемом газе присутствуют горючие компоненты, то они будут окисляться на поверхности измерительного электрода 3, выполненного из каталитического материала, окисление на поверхности второго измерительного электрода 4, некаталитического, происходить не будет. Тогда разность потенциалов между эталонным 2 и каталитическим измерительным 3 электродами (E1) датчика, позволяет рассчитать остаточное парциальное давление кислорода в анализируемом газе после окисления горючих компонентовIf combustible components are present in the analyzed gas, they will be oxidized on the surface of the measuring electrode 3 made of catalytic material; oxidation on the surface of the second measuring electrode 4, non-catalytic, will not occur. Then the potential difference between the reference 2 and the catalytic measuring 3 electrodes (E 1 ) of the sensor, allows you to calculate the residual partial pressure of oxygen in the analyzed gas after oxidation of combustible components

По разности потенциалов между эталонным и некаталитическим измерительным электродами (Е2) датчика можно определить полное парциальное давление кислорода в анализируемом газеFrom the potential difference between the reference and non-catalytic measuring electrodes (E 2 ) of the sensor, it is possible to determine the total partial pressure of oxygen in the analyzed gas

Парциальное давление кислорода, ушедшего на окисление будет равноThe partial pressure of oxygen that went into oxidation will be equal

илиor

где Where

Учитывая, что внутренняя камера датчика и анализируемая среда соединяются капилляром и находятся под одинаковым давлением, в вышеперечисленных формулах парциальные давления можно заменить на концентрации.Considering that the internal chamber of the sensor and the analyzed medium are connected by a capillary and are under the same pressure, in the above formulas the partial pressures can be replaced by concentrations.

В рабочем режиме внутренняя камера заполнена чистым кислородом, поэтому концентрация кислорода In operating mode, the inner chamber is filled with pure oxygen, so the oxygen concentration

Исходя из изложенного можно записать:Based on the foregoing, you can write:

илиor

По разности потенциалов между двумя измерительными электродами (Е3) можно выразить через и Е3 следующим образомThe potential difference between the two measuring electrodes (E 3 ) can be expressed across and E 3 as follows

Для практических расчетов можно использовать следующее соотношение:For practical calculations, you can use the following ratio:

При отсутствии окисляемых примесей в анализируемой среде отношение равно 1, по мере увеличения их содержания оно будет снижаться. Если одновременно измерять и полное содержание кислорода в анализируемом газе, то в соответствии с реакциейIn the absence of oxidizable impurities in the analyzed medium, the ratio equal to 1, as their content increases, it will decrease. If you measure the total oxygen content at the same time in the analyzed gas, then in accordance with the reaction

можно определить концентрацию СО.can determine the concentration of CO.

Из реакции окисления видно, чтоThe oxidation reaction shows that

Учитывая, что - объемная доля кислорода в анализируемой среде можно составить уравнение статической характеристики датчика:Given that - volume fraction of oxygen in the analyzed medium it is possible to make an equation of the static characteristic of the sensor:

- по кислороду- for oxygen

- по окиси углерода- carbon monoxide

Проведены экспериментальные исследования датчика, которые подтверждают возможность измерения концентрации кислорода до 5% и концентрации окиси углерода до 2,2%.Experimental sensor studies have been carried out that confirm the possibility of measuring oxygen concentration up to 5% and carbon monoxide concentration up to 2.2%.

Claims (1)

Датчик, содержащий чувствительный элемент в виде твердоэлектролитной потенциометрической ячейки с рабочим и сравнительным электродами из мелкодисперсной платины, нанесенной соответственно на наружной и внутренней поверхности капилляра, дополнительную твердоэлектролитную ячейку с электродами из мелкодисперсной платины, герметично соединенную с потенциометрической твердоэлектролитной ячейкой диэлектрическим составом, причем наружные электроды потенциометрической и дополнительной твердоэлектролитной ячейки расположены в анализируемой среде, а сравнительный электрод потенциометрической ячейки и второй электрод дополнительной ячейки - во внутренней камере, общей для обеих ячеек и соединенной с анализируемой средой капилляром длиной 100 мм и внутренним диаметром 1 мм, отличающийся тем, что на капилляре с наружной стороны нанесен дополнительный некаталитический измерительный электрод второй потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, выполненный из композиции на основе карбида кремния и закиси меди и обладающий низкой восстановительной способностью, а внутренний электрод является продолжением сравнительного электрода первой потенциометрической ячейки и служит эталонным электродом, что дает возможность измеряя разность потенциалов между измерительным каталитическим, измерительным некаталитическим и эталонным электродами определять концентрацию кислорода и окиси углерода, используя в качестве сравнительной среды чистый кислород, вырабатываемый дополнительной кулонометрической твердоэлектролитной ячейкой.
Figure 00000001
A sensor containing a sensing element in the form of a solid electrolyte potentiometric cell with a working and comparative electrodes of finely dispersed platinum deposited respectively on the outer and inner surfaces of the capillary, an additional solid electrolyte cell with electrodes of finely dispersed platinum, hermetically connected to a potentiometric solid electrolyte cell with a dielectric electrodes, moreover and an additional solid electrolyte cell are located in medium, and the comparative electrode of the potentiometric cell and the second electrode of the additional cell in the inner chamber, common for both cells and connected to the analyzed medium by a capillary 100 mm long and 1 mm inner diameter, characterized in that an additional non-catalytic measurement is applied to the capillary from the outside an electrode of a second potentiometric solid electrolyte cell made of a composition based on silicon carbide and copper oxide and having a low reduction ability, and the morning electrode is a continuation of the comparative electrode of the first potentiometric cell and serves as a reference electrode, which makes it possible to measure the potential difference between the measuring catalytic, measuring non-catalytic and reference electrodes, using pure oxygen generated by an additional coulometric solid electrolyte cell as a comparative medium.
Figure 00000001
RU2006118005/22U 2006-05-24 2006-05-24 SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA RU57012U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006118005/22U RU57012U1 (en) 2006-05-24 2006-05-24 SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006118005/22U RU57012U1 (en) 2006-05-24 2006-05-24 SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU57012U1 true RU57012U1 (en) 2006-09-27

Family

ID=37437217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006118005/22U RU57012U1 (en) 2006-05-24 2006-05-24 SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU57012U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2572064C1 (en) * 2014-08-14 2015-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") Method of stabilisation of dynamic characteristics of coulometric hygrometers
RU2779253C1 (en) * 2021-12-01 2022-09-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Method for determining the concentration of carbon monoxide and dioxide in the analyzed gas mixture with nitrogen

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2572064C1 (en) * 2014-08-14 2015-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие ОКБА" (ООО "НПП ОКБА") Method of stabilisation of dynamic characteristics of coulometric hygrometers
RU2779253C1 (en) * 2021-12-01 2022-09-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Method for determining the concentration of carbon monoxide and dioxide in the analyzed gas mixture with nitrogen
RU2795670C1 (en) * 2023-01-12 2023-05-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Sensor for measuring oxygen concentration in a gas mixture

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhuiykov et al. Potentiometric NOx sensor based on stabilized zirconia and NiCr2O4 sensing electrode operating at high temperatures
Cretescu et al. Electrochemical sensors for monitoring of indoor and outdoor air pollution
Schelter et al. A solid electrolyte sensor for trace gas analysis
US4828673A (en) Apparatus for measuring combustible gas concentration in flue gas
CA2164438C (en) Gas detection, identification and elemental and quantitative analysis system
Guth et al. Gas sensors based on oxygen ion conducting metal oxides
Guth et al. Gas sensing technologies in combustion: A comprehensive review
Shuk et al. Oxygen gas sensing technologies: A comprehensive review
RU57012U1 (en) SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF COMPONENTS OF ANALYZED GAS MEDIA
Shuk Oxygen gas sensing technologies application: a comprehensive review
RU2383013C1 (en) System for isotopic chromato-mass-spectrometric analysis of organic gas mixtures
RU2483299C1 (en) Solid-electrolyte sensor for amperometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures
Kondrat’Eva et al. Comparative study of gas-analyzing systems designed for continuous monitoring of TPP emissions
Kalyakin et al. Stability and reproducibility of solid electrolyte amperometry sensors at the analysis of hydrogen in nitrogen-containing gas mixtures
RU2315289C1 (en) Device for isotope chromo-mass-spectrum analysis of gas mixture
Yang et al. Compact electrochemical bifunctional NOx/O2 sensor with metal/metal oxide internal reference electrode for high temperature applications
US7837846B2 (en) Electrochemical sensor
RU218460U1 (en) Electrochemical gas and vapor detector
RU2780308C1 (en) Potentiometric solid-electrolyte cell
RU2477464C1 (en) Recovery unit for mass-spectrometric determination of hydrogen isotopic composition of water and organic oxygen-containing compounds
RU2796000C1 (en) Gas analyzer
Lipnin et al. Oxygen Concentration Measurement in Flue Gases Using Solid Electrolyte Cells
RU2235994C1 (en) Sensor for continuous determination of parameters of gaseous component of gas mixture
RU2151434C1 (en) Hydrogen analyzer for uranium dioxide fuel pellets
Hollowell et al. Instrumentation for air pollution monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
PC1K Assignment of utility model

Effective date: 20071218

MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20120525