RU61428U1 - PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR - Google Patents
PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU61428U1 RU61428U1 RU2006132994/22U RU2006132994U RU61428U1 RU 61428 U1 RU61428 U1 RU 61428U1 RU 2006132994/22 U RU2006132994/22 U RU 2006132994/22U RU 2006132994 U RU2006132994 U RU 2006132994U RU 61428 U1 RU61428 U1 RU 61428U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- solid electrolyte
- oxygen
- platinum
- partial pressure
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика для измерения парциального давления кислорода в воздухе, используемом для дыхания, как при повышенном, так и при пониженном давлении по отношению к нормальному атмосферному давлению. Цель полезной модели - уменьшения времени прогрева, увеличение времени непрерывной работы и повышение точности измерений. Предлагаемый датчик парциального давления кислорода, содержит нагреватель и чувствительный элемент с электродами, выполненный из твердого электролита на основе диоксида циркония с примесью оксида двух- или трехвалентного металла, обладающего практически чисто кислородионной однополярной проводимостью. Чувствительный элемент датчика выполнен из двух твердоэлектролитных склеенных между собой пластинок, на которых с обеих сторон нанесены электроды из пористой газопроницаемой платины, причем электроды, находящиеся в камере, образованной пластинками, соприкасаются и электрически контактируют друг с другом, а чувствительный элемент закреплен с помощью платиновых токоотводов, отходящих от электродов, между двумя твердоэлектролитными дисками, жестко связанными между собой стойками из твердоэлектролитного материала, а нагреватель выполнен в виде проволоки, натянутой между дисками и закрепленной на них с помощью платиновых проволочек, причем крепление всех твердоэлектролитных деталей и платиновых проволочек осуществляется с помощью высокотемпературного диэлектрического клея, имеющего коэффициент термического расширения, практически равный коэффициенту термического расширения твердого электролита. К электродам одной из твердоэлектролитных пластинок подключен реверсивный источник постоянного тока, полярность которого периодически изменяется в зависимости от величины ЭДС, образующейся на электродах второй твердоэлектролитной пластинки, причем о парциальном давлении кислорода судят по длительности единичного периода работы источника тока.The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a sensor for measuring the partial pressure of oxygen in the air used for breathing, both at high and low pressure relative to normal atmospheric pressure. The purpose of the utility model is to reduce the warm-up time, increase the time of continuous operation and increase the accuracy of measurements. The proposed oxygen partial pressure sensor contains a heater and a sensing element with electrodes made of a solid zirconia-based electrolyte with an admixture of bivalent or trivalent metal oxide having almost purely oxygen unipolar conductivity. The sensor element is made of two solid electrolyte plates glued together, on which electrodes of porous gas-permeable platinum are applied on both sides, the electrodes in the chamber formed by the plates are in contact and electrically contact each other, and the sensor element is fixed using platinum down conductors extending from the electrodes between two solid electrolyte disks rigidly interconnected by racks of solid electrolyte material, and the heater ene as a wire spanned between the discs and fixed to them by means of platinum wires, wherein the fastening parts of solid electrolyte and platinum wires by using high dielectric adhesive having a thermal expansion coefficient substantially equal to thermal expansion coefficient of the solid electrolyte. A reversible direct current source is connected to the electrodes of one of the solid electrolyte plates, the polarity of which periodically changes depending on the magnitude of the EMF generated on the electrodes of the second solid electrolyte plate, and the partial pressure of oxygen is judged by the length of a single period of operation of the current source.
Description
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика для измерения парциального давления кислорода в воздухе, используемом для дыхания, как при повышенном, так и при пониженном давлении по отношению к нормальному атмосферному давлению.The utility model relates to the field of analytical instrumentation and can be used as a sensor for measuring the partial pressure of oxygen in the air used for breathing, both at high and low pressure relative to normal atmospheric pressure.
Известен датчик для измерения содержания кислорода в газовой смеси, применяемый в газоанализаторе «Флюорит-Ц», выпускаемый предприятием ООО «Ангарское-ОКБА» (газоанализатор «Флюорит-Ц». Руководство по эксплуатации 5К1.552.045).A known sensor for measuring the oxygen content in the gas mixture used in the gas analyzer "Fluorite-C" produced by the company LLC "Angarskoye-OKBA" (gas analyzer "Fluorite-C". Operation manual 5K1.552.045).
Датчик включает корпус, в котором расположены нагреватель и чувствительный элемент в виде твердоэлектролитной пробирки. Твердоэлектролитная пробирка установлена в нагревателе, в рабочей зоне которого поддерживается температура с точностью ±2°С. Твердым электролитом является диоксид циркония, стабилизированный 15% оксида иттрия. На внутреннем торце пробирки нанесен пористый платиновый электрод, к которому подается анализируемый газ. На наружном торце пробирки также нанесен пористый платиновый электрод, называемый сравнительным электродом, который за счет температурной конвекции омывается атмосферным воздухом, содержание кислорода в котором достаточно постоянно.The sensor includes a housing in which a heater and a sensing element in the form of a solid electrolyte tube are located. The solid electrolyte tube is installed in the heater, in the working area of which the temperature is maintained with an accuracy of ± 2 ° C. The solid electrolyte is zirconia stabilized with 15% yttrium oxide. A porous platinum electrode is applied to the inner end of the tube, to which the analyzed gas is supplied. A porous platinum electrode, called a comparative electrode, is also deposited on the outer end of the tube, which is washed by atmospheric air due to temperature convection, the oxygen content of which is quite constant.
Анализируемый газ поступает внутрь твердоэлектролитной пробирки, а затем сбрасывается в атмосферу. К электродам подключен измеритель ЭДС. По ЭДС судят о концентрации кислорода в анализируемом газе.The analyzed gas enters the solid-state electrolyte tube, and then is discharged into the atmosphere. An EMF meter is connected to the electrodes. EMF is used to judge the oxygen concentration in the analyzed gas.
Основным недостатком этого датчика с точки зрения измерения парциального давления кислорода является необходимость измерения давления анализируемого газа и атмосферного давления, что существенно усложняет электрическую схему датчика.The main disadvantage of this sensor from the point of view of measuring the partial pressure of oxygen is the need to measure the pressure of the analyzed gas and atmospheric pressure, which significantly complicates the electrical circuit of the sensor.
Наиболее близким по технической сущности является датчик парциального давления кислорода (А.с. СССР №1784907 G 01 №27/417, Бюл. №48, 1992 г.). Датчик содержит твердоэлектролитный чувствительный элемент с рабочим и сравнительным электродами, к которым подключен измеритель ЭДС и через переключатель-источник постоянного тока. The closest in technical essence is the oxygen partial pressure sensor (AS USSR No. 1784907 G 01 No. 27/417, Bull. No. 48, 1992). The sensor contains a solid-electrolyte sensing element with a working and comparative electrodes, to which an EMF meter is connected and through a switch-source of direct current.
К рабочему электроду подается анализируемый газ. Сравнительный электрод расположен в герметичной сравнительной камере. Перед тем, как приступить к измерениям парциального давления кислорода, в сравнительной камере создается сравнительная среда с определенным известным парциальным давлением кислорода. Для этого к электродам с помощью переключателя подсоединяют источник постоянного тока в полярности «плюс» - к рабочему электроду и устанавливают напряжение в пределах 0,5-1,2 В. Под действием этого напряжения происходит извлечение кислорода из сравнительной камеры. О практически полном извлечении кислорода судят по резкому падению тока и о его близости к нулю. После этого изменяют полярность приложенного к электродам напряжения и пропускают определенное количество электричества, благодаря чему в сравнительной камере устанавливается заданное парциальное давление кислорода. Затем к электродам подключают измеритель ЭДС. По измеренному значению ЭДС судят о парциальном давлении кислорода в анализируемом газе.The analyzed gas is supplied to the working electrode. The reference electrode is located in a sealed reference chamber. Before proceeding with the measurement of the partial pressure of oxygen, a comparative medium with a certain known partial pressure of oxygen is created in the comparative chamber. For this purpose, a direct current source in the plus polarity is connected to the electrodes using a switch - to the working electrode and the voltage is set within 0.5-1.2 V. Under the action of this voltage, oxygen is extracted from the comparative chamber. The almost complete extraction of oxygen is judged by a sharp drop in current and its proximity to zero. After that, the polarity of the voltage applied to the electrodes is changed and a certain amount of electricity is passed, so that a predetermined partial oxygen pressure is set in the comparative chamber. Then, an EMF meter is connected to the electrodes. The measured value of the EMF is used to judge the partial pressure of oxygen in the analyzed gas.
Рассмотренный датчик имеет два существенных недостатка. Во-первых, велико время выхода на рабочий режим, которое включает прогрев датчика до достаточно высокой температуры, примерно 650°С, и, кроме того, откачку и дозирование кислорода. Второй недостаток - малое время непрерывной работы датчика (не более 10 часов даже при относительной погрешности измерений, равной 10%), что связано с натеканием кислорода в сравнительную камеру из-за неотъемлемого свойства твердого электролита - так называемой «электролитической» проницаемости.The considered sensor has two significant drawbacks. Firstly, it takes a long time to reach the operating mode, which includes heating the sensor to a sufficiently high temperature, about 650 ° C, and, in addition, pumping and dosing of oxygen. The second disadvantage is the short time of continuous operation of the sensor (not more than 10 hours even with a relative measurement error of 10%), which is associated with the leakage of oxygen into the comparative chamber due to the inherent property of solid electrolyte - the so-called "electrolytic" permeability.
Сущность полезной модели заключается в исключении указанных недостатков.The essence of the utility model is to eliminate these drawbacks.
На фигуре приведен чертеж предлагаемого датчика. Чувствительный элемент 4 датчика состоит из двух пластинок 5 и 6 из твердого электролита, склеенных диэлектрическим клеем 8. На пластинки с обеих сторон нанесены электроды 7, 10 и 11 из пористой платины, причем электроды 7 электрически контактируют между собой. К электродам 7, 10 и 11 подсоединены соответственно токоотводы 13, 12 и 14, изготовленные из платиновой проволоки и жестко закрепленные на дисках 1 и 18 с помощью диэлектрического клея. К электродам 7 и 10 подсоединен реверсивный источник стабилизированного тока 15, а к электродам 7 и 11 - измеритель ЭДС, по сигналу, от The figure shows a drawing of the proposed sensor. The sensor element 4 consists of two plates 5 and 6 of solid electrolyte glued with dielectric adhesive 8. Electrodes 7, 10 and 11 of porous platinum are applied to the plates on both sides, and the electrodes 7 are electrically in contact with each other. To the electrodes 7, 10 and 11 are connected, respectively, down conductors 13, 12 and 14, made of platinum wire and rigidly fixed to the disks 1 and 18 using dielectric glue. A reversible stabilized current source 15 is connected to the electrodes 7 and 10, and an EMF meter is connected to the electrodes 7 and 11, by a signal from
которого изменяется полярность источника тока 15. Нагрев датчика осуществляется с помощью нагревательной проволоки 9, закрепленной платиновыми штырьками 19. Штырьки 19, в свою очередь закреплены диэлектрическим клеем на дисках 1 и 18. Для придания жесткости конструкции диски 1 и 18 соединены стойками 2 из твердоэлектролитного материала, закрепленными диэлектрическим клеем. Для герметизации чувствительного элемента используется обечайка 20, являющаяся одновременно теплоизолирующим экраном. Анализируемый газ поступает через штуцер 3, омывает чувствительный элемент 4 и выходит через штуцер 17.which changes the polarity of the current source 15. The sensor is heated using a heating wire 9 fixed by platinum pins 19. The pins 19, in turn, are secured by dielectric glue on the disks 1 and 18. To give structural rigidity, the disks 1 and 18 are connected by posts 2 of solid electrolyte material fixed with dielectric glue. For sealing the sensitive element, a shell 20 is used, which is also a heat-insulating screen. The analyzed gas enters through the nozzle 3, washes the sensing element 4 and exits through the nozzle 17.
Рассмотрим физическую сущность процессов, протекающих в чувствительном элементе 4 в процессе измерений. В чувствительном элементе используются два свойства твердоэлектролитных ячеек, которые позволяют применять их в аналитической практике. Первое свойство таково. Если по разные стороны твердого электролита находятся газовые смеси с различными парциальными давлениями кислорода, то на его электродах возникает ЭДС, связанная с парциальными давлениями кислорода формулой Нернста:Consider the physical nature of the processes occurring in the sensing element 4 in the process of measurement. The sensor uses two properties of solid electrolyte cells, which allow them to be used in analytical practice. The first property is as follows. If on different sides of the solid electrolyte there are gas mixtures with different partial pressures of oxygen, then on its electrodes there is an EMF associated with the partial pressures of oxygen by the Nernst formula:
где Е - ЭДС;where E is the EMF;
R - универсальная газовая постоянная;R is the universal gas constant;
Т - температура рабочей зоны (электродов);T is the temperature of the working area (electrodes);
n=4 - число зарядов в ионизированной молекуле кислорода;n = 4 is the number of charges in the ionized oxygen molecule;
F - число Фарадея;F is the Faraday number;
и - парциальные давления кислорода. and - partial pressure of oxygen.
Второе свойство заключается в следующем. Если через твердый электролит протекает электрический ток, то в его переносе участвуют практически только ионы кислорода, причем количество перенесенного кислорода рассчитывается в соответствии с законом Фарадея.The second property is as follows. If an electric current flows through a solid electrolyte, then practically only oxygen ions participate in its transfer, and the amount of oxygen transferred is calculated in accordance with the Faraday law.
В процессе измерений с помощью предлагаемого датчика через электроды 7 и 10 протекает постоянный по значению, но с изменяющейся In the process of measurement using the proposed sensor through the electrodes 7 and 10 flows constant in value, but with a changing
полярностью ток, который переносит кислород, причем в полярности «плюс» на электродах 7 кислород поступает в камеру, в которой расположены электроды 7, а в противоположной полярности кислород извлекается из этой камеры. Ток устанавливается в пределах от 50 до 300 мкА. Переключение полярности тока осуществляется при достижении ЭДС на электродах некоторых значений. Откачка кислорода начинается при постоянном значении ЭДС в пределах от 40 до 50 мВ, а дозирование кислорода - при постоянном значении ЭДС в пределах от 70 до 80 мВ. Аналитическим сигналом датчика является суммарное время дозирования и откачки кислорода в течение одного периода, которое возрастает с увеличением парциального давления кислорода в анализируемом газе. Экспериментальная проверка показала, что между парциальным давлением кислорода в анализируемом газе и временем дозирования и откачки кислорода существует линейная зависимость, то есть статическая характеристика датчика имеет вид:polarity is the current that carries oxygen, and in the plus polarity on the electrodes 7, oxygen enters the chamber in which the electrodes 7 are located, and in the opposite polarity, oxygen is extracted from this chamber. The current is set in the range from 50 to 300 μA. Switching the polarity of the current is carried out when the EMF on the electrodes reaches some values. Oxygen pumping starts at a constant EMF value in the range from 40 to 50 mV, and oxygen dosing - at a constant EMF value in the range from 70 to 80 mV. The analytic signal of the sensor is the total time of dosing and pumping oxygen for one period, which increases with increasing partial pressure of oxygen in the analyzed gas. An experimental check showed that there is a linear relationship between the partial pressure of oxygen in the analyzed gas and the time of oxygen dosing and evacuation, that is, the static characteristic of the sensor has the form:
где Р - парциальное давление кислорода в анализируемом газе;where P is the partial pressure of oxygen in the analyzed gas;
k - коэффициент пропорциональности;k is the coefficient of proportionality;
Проведенные испытания предлагаемого датчика показали, что он имеет следующие основные метрологические характеристики:Tests of the proposed sensor showed that it has the following basic metrological characteristics:
- t - суммарное время дозирования и откачки кислорода в течение одного периода.- t is the total time of dosing and pumping oxygen for one period.
- диапазон измерений парциального давления кислорода от 5 до 300 кПа;- the range of measurements of the partial pressure of oxygen from 5 to 300 kPa;
- основная относительная погрешность измерений не более 5%;- the main relative measurement error of not more than 5%;
- время установления показаний не более 5 с.;- testimony establishment time no more than 5 s .;
- время прогрева не более 100 с.- warm-up time no more than 100 s.
По точности измерений датчик существенно превосходит аналоги. Кроме того, время прогрева датчика в три раза меньше, чем у аналога, а время его непрерывной работы практически неограниченно. У датчика также значительно меньше масса и габаритные размеры.In terms of measurement accuracy, the sensor is significantly superior to analogues. In addition, the sensor warm-up time is three times less than that of the analogue, and its continuous operation time is almost unlimited. The sensor also has significantly less weight and overall dimensions.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006132994/22U RU61428U1 (en) | 2006-09-13 | 2006-09-13 | PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006132994/22U RU61428U1 (en) | 2006-09-13 | 2006-09-13 | PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU61428U1 true RU61428U1 (en) | 2007-02-27 |
Family
ID=37991199
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006132994/22U RU61428U1 (en) | 2006-09-13 | 2006-09-13 | PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU61428U1 (en) |
-
2006
- 2006-09-13 RU RU2006132994/22U patent/RU61428U1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kaneyasu et al. | A carbon dioxide gas sensor based on solid electrolyte for air quality control | |
US3347767A (en) | Device for monitoring oxygen content of gases | |
Haaland | Internal-reference solid-electrolyte oxygen sensor | |
RU2483300C1 (en) | Solid electrolyte sensor for amperometric measurement of gas mixture moisture | |
RU61428U1 (en) | PARTIAL OXYGEN PRESSURE SENSOR | |
RU2483298C1 (en) | Solid-electrolyte sensor for amperometric measurement of hydrogen and oxygen concentration in gas mixtures | |
RU2635711C1 (en) | Device for measuring volume fraction and partial pressure of oxygen in gases | |
RU2483299C1 (en) | Solid-electrolyte sensor for amperometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures | |
RU63534U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING OXYGEN CONCENTRATION | |
IL48045A (en) | Method and apparatus for detecting the presence of alcohol and measuring its concentration | |
RU2540450C1 (en) | Method to measure oxygen content and moisture of gas | |
RU51228U1 (en) | OXYGEN GAS ANALYZER SENSOR | |
RU2755639C1 (en) | Amperometric method for measuring the content of carbon monoxide in inert gases | |
RU2745082C1 (en) | Gas analyzer | |
Kalyakin et al. | Stability and reproducibility of solid electrolyte amperometry sensors at the analysis of hydrogen in nitrogen-containing gas mixtures | |
RU2780308C1 (en) | Potentiometric solid-electrolyte cell | |
RU2796000C1 (en) | Gas analyzer | |
RU55143U1 (en) | OXYGEN SENSOR | |
JP3387611B2 (en) | CO gas sensor and CO gas detection method | |
RU2795670C1 (en) | Sensor for measuring oxygen concentration in a gas mixture | |
RU2752801C1 (en) | Amperometric method for measuring concentration of nitric oxide in gas mixture with nitrogen | |
RU189631U1 (en) | Sensor for measuring the concentration of oxygen and hydrogen in inert, protective and oxidizing gas mixtures | |
RU2522815C1 (en) | Sensitive element of electrochemical sensor of carbon monoxide in gas mixtures | |
RU2750136C1 (en) | Method for determining ionic transference number of solid electrolytes with proton conductivity | |
RU2779253C1 (en) | Method for determining the concentration of carbon monoxide and dioxide in the analyzed gas mixture with nitrogen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC1K | Assignment of utility model |
Effective date: 20071221 |
|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120914 |