UA121488C2 - Датчик водню в рідких і газових середовищах - Google Patents
Датчик водню в рідких і газових середовищах Download PDFInfo
- Publication number
- UA121488C2 UA121488C2 UAA201707420A UAA201707420A UA121488C2 UA 121488 C2 UA121488 C2 UA 121488C2 UA A201707420 A UAA201707420 A UA A201707420A UA A201707420 A UAA201707420 A UA A201707420A UA 121488 C2 UA121488 C2 UA 121488C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- sensitive element
- sensor
- selective membrane
- ceramic
- ceramic sensitive
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 11
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 36
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 9
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 9
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 6
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 241000202943 Hernandia sonora Species 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- CHWRSCGUEQEHOH-UHFFFAOYSA-N potassium oxide Chemical compound [O-2].[K+].[K+] CHWRSCGUEQEHOH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910001950 potassium oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 abstract 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M dipotassium;hydroxide Chemical compound [OH-].[K+].[K+] FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N dibismuth;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Bi+3].[Bi+3] TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
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
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
- G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
-
- 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
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
-
- 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
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/40—Semi-permeable membranes or partitions
-
- 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
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/005—H2
-
- 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
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
Датчик водню в рідких і газових середовищах включає селективну мембрану та корпус, керамічний чутливий елемент, еталонний електрод, пористий платиновий електрод, гермоввід та потенціалознімач. Керамічний чутливий елемент виконаний у вигляді циліндра з днищем. Зовнішня циліндрична поверхня керамічного чутливого елемента герметично поєднана з внутрішньою боковою поверхнею корпусу. Еталонний електрод розташований у внутрішній порожнині керамічного чутливого елемента. Зовнішня частина днища керамічного чутливого елемента покрита шаром пористого платинового електрода. Нижня втулка виконана у вигляді трубки, поєднаної з нижньою частиною корпусу. До нижнього кінця прикріплена селективна мембрана, вільний кінець якої герметично закритий заглушкою, при цьому порожнина, що обмежена внутрішньою поверхнею нижньої втулки, зовнішньою частиною днища керамічного чутливого елемента та внутрішніми поверхнями селективної мембрани та заглушки, виконана герметичною. Зверху потенціалознімача встановлена верхня втулка, а кільцева порожнина між внутрішньою поверхнею стінки верхньої втулки та зовнішньої поверхні потенціалознімача заповнена ситалом.
Description
Опис винаходу
Датчик водню в рідких і газових середовищах
Область техніки.
Пристрій відноситься до вимірювальної техніки й може бути використане в енергетиці, металургії, хімічній промисловості для визначення концентрації водню в рідких і газових середовищах у широкому інтервалі температур і тисків.
Попередній рівень техніки.
Відомий електрохімічний датчик концентрації водню в газових і рідких середовищах (Патент на винахід РФ Мо 2120624, МПК 501М27/417 "Електрохімічний датчик концентрації водню в газових і рідких середовищах", опубл. 20.10.1998).
Датчик включає корпус, герметично з'єднаний за допомогою металу із твердоелектролітним датчиком кисню. Твердоелектролітним датчик кисню складається з керамічного ізолятора, закритого в нижній частині пробкою із твердого електроліту, пористого платинового електрода, нанесеного на зовнішню сторону пробки, рідкого металооксидного еталонного електрода, розміщеного із внутрішньої сторони пробки, термопари-струмопідводу, закріпленого в кришці, що закриває зверху керамічний ізолятор. До нижньої частини корпусу приварена селективна мембрана, виконана у вигляді гофрованої склянки. Між селективною мембранною й пробкою твердого електроліту встановлена таблетка з пористого електроізоляційного оксиду.
Недоліком відомого пристрою є відносно низька герметичність внутрішньої порожнини керамічного чутливого елемента, що виникає через натічки кисню через зазор між центральної жилою й оболонкою потенциалознімача, що приводить до окиснення еталонного електрода й зниженню ресурсу й надійності роботи пристрою в цілому.
Відомий електрохімічний датчик концентрації водню в рідинах і газах (Дмитрієв І.Г., Орлов
В.Л., Шматко Б.А. Електрохімічний датчик водню в рідинах і газах // Сб. тез доповідей
Міжгалузевої конференції "Теплофізика-91". Обнинск, 1993. С.134-136).
Датчик включає електрохімічне кисневе гніздо на базі твердого електроліту зі стабілізованого диоксиду цирконію, рідкометалевого електрода порівняння із суміші Ві«Ві2о3, вимірювального платинового електрода, який поміщений у герметичну камеру, заповнену водною парою.
Недоліками відомого технічного розв'язку є: - відносно низька надійність і малий ресурс роботи пристрою через складність конфігурації датчика; - відносно низька термічна й корозійна стійкість твердоелектролітичного датчика кисню до пар води; - відносно висока інерційність пристрою й недостатня чутливість через складність стабілізації парціального тиску пар води у вимірювальній камері; - відносно низька точність виміру концентрації водню, яка є наслідком складної підтримки стабільності температури й трубопроводів.
Найбільш близьким по технічній сутності до пристрою, що заявляється, є датчик водню в рідких і газових середовищах (Патент на винахід РФМо 2379672, МПК 501М27/417 "Датчик водню в рідких і газових середовищах", опубл. 20.01.2008).
Датчик водню включає селективну мембрану, пористу електроіїзоляційну кераміку й корпус, усередині якого розташований потенциалознімач, керамічний чутливий елемент із твердого електроліту, у порожнині якого розміщений еталонний електрод, пористий платиновий електрод, нанесений на зовнішню поверхню керамічного чутливого елемента, кремнеземною тканиною й сполучним матеріалом, пробкою, що має отвір, що й перекриває поперечний переріз порожнини керамічного чутливого елемента, гермовводом, розташованим герметично усередині корпусу над керамічним чутливим елементом, потенциалознімачем у вигляді двооболонкового кабелю, що проходить через центральний отвір гермоввода, циліндричною втулкою. Порожнина корпусу між гермовводом і керамічним чутливим елементом є герметичною. Керамічний чутливий елемент виконаний у вигляді сполучених між собою циліндричного елемента й частини сфери, розташованої в нижній частині циліндричного елемента. Верхня частина зовнішньої циліндричної поверхні керамічного чутливого елемента герметично з'єднана із внутрішньою бічною поверхнею корпусу за допомогою сполучного матеріалу. Еталонний електрод розташований у порожнині, утвореною внутрішньою поверхнею керамічного чутливого елемента й поверхнею пробки, і займає, щонайменше, її частину.
Зовнішня сферична частина керамічного чутливого елемента покрита шаром пористого платинового електрода. Кінець центральної жили потенциалознімача, звернений убік керамічного чутливого елемента, виведений через отвір у пробці в обсяг еталонного електрода. бо Забезпечений електричний контакт між еталонним електродом і нижньою частиною центральної жили потенциалознімача. Частина керамічного чутливого елемента виступає за межі корпусу.
Втулка, виконана у вигляді трубки, з'єднана з нижньою частиною корпусу з боку виступаючої частини керамічного чутливого елемента. Нижній кінець втулки має дно із центральним отвором, до якого прикріплена селективна мембрана, виконана, щонайменше, з однієї трубки.
Нижній вільний кінець селективної мембрани герметично закритий заглушкою. Порожнина, обмежена внутрішньою поверхнею втулки, сполучним матеріалом, зовнішньої виступаючої за межі корпус частиною керамічного чутливого елемента й внутрішньою поверхнею селективної мембрани, герметична. Внутрішня порожнина втулки між виступаючою частиною керамічного чутливого елемента й дном втулки заповнена кремнеземною тканиною. Пориста електроіїзоляційна кераміка виконана у вигляді циліндра й розміщена з кільцевим зазором по відношенню внутрішньої поверхні селективної мембрани.
Недоліком відомого пристрою є відносно низька герметичність (недолік 1) внутрішньої порожнини керамічного чутливого елемента, що може привести к натічкам у внутрішню порожнину кисню через зазор між центральної жилою й оболонкою потенциалознімача, і в кінцевому результаті до окиснення еталонного електрода й зниженню ресурсу й надійності роботи пристрою в цілому. Також, внаслідок відсутності надійної герметизації верхньої частини потенциалознімача (недолік 2), можливе влучення вологи усередину ізоляції двооболонкового кабелю, що приводить до зменшення опору центральної жилою й оболонкою кабелю й, як наслідок, до втрати корисного сигналу й викривленню показань датчика.
Розкриття винаходу.
Завдання винаходу полягає в підвищенні стабільності й вірогідності показань датчика водню, а також ресурсу й надійності його роботи в широкому діапазоні параметрів робочого середовища.
Технічний результат.
Технічний результат полягає в підвищенні точності показань датчика водню за рахунок забезпечення герметичності внутрішньої порожнини керамічного чутливого елемента й збільшення електроопору між центральної жилою й оболонкою потенциалосзнімачаа в наслідку забезпечення надійної герметизації верхньої частини потенциалознімача, а також у виключенні окиснення еталонного електрода датчика.
Зо Для розв'язку поставленого завдання запропонована конструкція датчика, що включає селективну мембрану й корпус, усередині якого розташований потенциалознімач, керамічний чутливий елемент із твердого електроліту. У порожнині керамічного чутливого елемента розміщений еталонний електрод, пористий платиновий електрод, нанесений на зовнішню поверхню керамічного чутливого елемента. Гермоввод розташований герметично усередині корпусу над керамічним чутливим елементом. Потенциалознімач проходить через центральний отвір гермоввода, і нижню втулку, причому керамічний чутливий елемент виконаний у вигляді сполучених між собою циліндричного елемента й днища, розташованого в нижній частині циліндричного елемента. Зовнішня циліндрична поверхня керамічного чутливого елемента герметично з'єднана із внутрішньою бічною поверхнею корпусу. Еталонний електрод розташований у внутрішній порожнині керамічного чутливого елемента. Зовнішня частина днища керамічного чутливого елемента покрита шаром пористого платинового електрода.
Кінець центральної жили потенциалознімача виведений в обсяг еталонного електрода, при цьому забезпечений електричний контакт між еталонним електродом і нижньою частиною центральної жили потенциалознімача. Нижня втулка, виконана у вигляді трубки й з'єднана з нижньою частиною корпусу з боку керамічного чутливого елемента. Нижній кінець нижньої втулки має дно із центральним отвором, до якого прикріплена селективна мембрана, виконана, щонайменше, з однієї трубки. Нижній вільний кінець селективної мембрани герметично закритий заглушкою, а порожнина, обмежена внутрішньою поверхнею нижньої втулки, зовнішньою частиною днища керамічного чутливого елемента й внутрішніми поверхнями селективної мембрани й заглушки, виконана герметичної. Датчик відрізняється тим, що додатково постачений верхньою втулкою й герметиком, що заповнюють кільцеву порожнину між внутрішньою поверхнею стінки верхньої втулки й зовнішньою поверхнею потенциалознімача.
Герметик являє собою ситал, що полягає з оксиду кремнію (5іог2) - 45-55 мас. 95, оксиду алюмінію (АЇІ2Оз) - 4-6 мас. 95, оксиду бору (В2Оз) - 18-22 мас. 95, оксиду титану (ТіОг) - 9-12 мас. 95, оксиду натрію (МагО) - 12-15 мас. 95, оксиду калію (К2О) - 1-2 мас. 95 і оксиду магнію (Мо) - 2-3 мас. 9».
Кращим є ситал, що полягає з оксиду кремнію (51Ог) - 50 мас. 95, оксиду алюмінію (АІ2Оз) - 5 мас. 95, оксиду бору (ВгОз) - 20 мас. 95, оксиду титану (ТіОг) - 10 мас. 95, оксиду натрію (МагО) - 12 мас. 95, оксиду калію (К2О) - 1 мас. 95 і оксиду магнію (МоОС) - 2 мас. 95. бо При цьому герметик заповнює кільцеву порожнину між внутрішньою поверхнею стінки верхньої втулки й зовнішньою поверхнею потенциалознімача, верхня втулка виконана з нержавіючої сталі. Селективна мембрана датчика водню, виконана, щонайменше, з однієї трубки.
Дійсні значення ЕДС датчика пов'язані з ЕДС, індиціований вторинним приладом наступним чином: во
Ев - Е (те но 1)
Кц ; де Ео - дійсне значення ЕДС датчика;
Е - ЕДС, індиціована вторинним приладом;
Но - внутрішній електроопір датчика (керамічного чутливого елемента);
Вц - електроопір зовнішнього ланцюга, включаючи внутрішній опір вторинного приладу й опір центральній жили - оболонка кабелю потенциалознімача.
Таким чином, з даної формули видне, що чим більше електроопір ланцюга, тем ближче реєстрований сигнал датчика до дійсного.
Конструкція датчика дозволяє підвищити стабільність і вірогідність показань датчика водню, а також ресурс і надійність його роботи в широкому діапазоні параметрів робочого середовища.
Короткий опис креслень.
Сутність винаходу пояснюється фігурою, на якій представлений поздовжній осьовий переріз датчика, загальний вид.
Здійснення винаходу.
Датчик водню включає селективну мембрану 1 і корпус 2. Усередині корпусу 2 розташований потенциалознімач 3, керамічний чутливий елемент 4 із твердого електроліту. У порожнині чутливого елемента розміщений еталонний електрод 5, пористий платиновий електрод 6, нанесений на зовнішню поверхню керамічного чутливого елемента 4. Гермоввод 7 розташований герметично усередині корпусу 2 над керамічним чутливим елементом 4. Датчик містить верхню 8 і нижню 9 втулки, герметик 10, центральну жилу потенциалознімача 11 і заглушку 12.
Герметик 10 заповнює кільцеву порожнину між внутрішньою поверхнею стінки верхньої втулки 8 і зовнішньою поверхнею центральної жили потенциалознімача 11.
Потенциалознімач З проходить через центральний отвір гермоввода 7.
Зо Керамічний чутливий елемент 4 розташований у нижній частині датчика й виконаний у вигляді сполучених між собою циліндричної частини денця.
Зовнішня циліндрична поверхня керамічного чутливого елемента 4 герметично з'єднана із внутрішньою бічною поверхнею корпусу 2.
Еталонний електрод 5 розташований у внутрішній порожнині керамічного чутливого елемента 4.
Зовнішня частина днища керамічного чутливого елемента 4 покрита шаром пористого платинового електрода 6.
Кінець центральної жили потенциалознімача З виведений в обсяг еталонного електрода 5.
Між еталонним електродом 5 і нижньою частиною центральної жили 11 потенциалознімача 11 забезпечений електричний контакт.
Нижня втулка 9, виконана у вигляді трубки, з'єднана з нижньою частиною корпусу 2 з боку керамічного чутливого елемента 4.
Нижній кінець нижньої втулки 9У має дно із центральним отвором, до якого прикріплена селективна мембрана 1, виконана, щонайменше, з однієї трубки.
Нижній вільний кінець селективної мембрани 1 герметично закритий заглушкою 12.
Порожнина, обмежена внутрішньою поверхнею нижньої втулки 9, зовнішньою частиною днища керамічного чутливого елемента 4 і внутрішніми поверхнями селективної мембрани 1 і заглушки 12, виконана герметичною.
Герметик 10 являє собою ситал, що полягає з оксиду кремнію (5іО2) - 50 мас. 95, оксиду алюмінію (АІ2Оз) - 5 мас. 95, оксиду бору (В2Оз) - 20 мас. 95, оксиду титану (ТіОг) -10 мас. ро, оксиду натрію (МагО) - 12 мас. 95, оксиду калію (К2О) - 1 мас. 95 ії оксиду магнію (МоС) - 2 мас. 95.
Герметик необхідний для запобігання влучення кисню з повітря у внутрішню порожнину датчика й зміни властивостей еталонного електрода 5. Зазначений состав герметика був визначений у ході досліджень і забезпечує більшу стійкість до несприятливих умов експлуатації в агресивному середовищі при підвищеній температурі, а значить забезпечується герметичність датчика на більш тривалому строку експлуатації й знижуються ризики розгерметизації й погіршення погрішності показань.
В окремому випадку виконання датчика верхня втулка 8 виконана з нержавіючої сталі. бо Матеріали верхньої втулки 8 і потенциалознімача З мають однаковий коефіцієнт температурного розширення, що дозволяє зберігати працездатність датчика водню при зміні температури навколишнього середовища в діапазоні температур 0-3009 С.
Нижня втулка 9 і заглушка 12 виконані з нікелю марки НПО.
Гермоввод 7 і верхня втулка 8 виготовлено зі сталі 12 х 18Н10Т.
Керамічний чутливий елемент 4 виконаний із частково стабілізованого діоксиду цирконію й виступає за межі корпусу 2 на відстань 6 мм.
Корпус 2 виготовлений з феритно-мартенситної сталі ЕВ-852 і має наступні розміри: діаметр - 15 мм, довжина - 220 мм.
Пористий платиновий електрод 6 має товщину 20 мкм.
У якості потенциалознімача З використаний двооболонковий кабель типу КНМС 2 С.
Селективна мембрана 1 складається з однієї трубки, виконаної з нікелю марки НМго.О8в.
Розміри селективної мембрани 1: діаметр - 6 мм; довжина -- 40 мм, товщина стінки - 0,15 мм.
Еталонний електрод 5 виконаний із суміші вісмуту й оксиду вісмуту.
Відношення площі внутрішньої бічної поверхні селективної мембрани 1 до її внутрішнього вільного обсягу становить 0,4 мм".
На зовнішній і внутрішній частині селективної мембрани 1 виконана хімічно стійка в окисному середовищі захисна плівка з Ра.
Принцип дії датчика водню заснований на використанні електрохімічного методу визначення концентрації кисню з використанням сенсора кисню на основі твердого оксидного електроліту.
Датчик водню працює наступним чином.
При розміщенні датчика водню в досліджуваному середовищі водень, що міститься в ній, через селективну мембрану 1 оборотне дифундує в паро-водневу камеру (порожнина, обмежена внутрішньою поверхнею нижньої втулки 9, зовнішньої виступаючої за межі корпусу 6 частиною керамічного чутливого елемента 4 і внутрішньою поверхнею селективної мембрани 1), змінюючи ЕДС датчика.
ЕДС датчика виникає за рахунок різниці парціальних тисків кисню на електродах гальванічного концентраційного елемента, схема якого може бути представлена у вигляді:
Ме|еталонний електрод (5) (||(й"О2-У2Оз||пористий платиновий електрод (6)|Нго, Нег селективна мембрана| середовище.
Зо Паро-воднева камера має фіксований парціальний тиск пар води й функціонує як перетворювач термодинамічного потенціалу водню в окисний потенціал паро-водневої суміші на пористому платиновому електроді 6.
Результуюча ЕДС є функцією тиску водню й записується в такий спосіб:
Я Р, в- в зді, "ЕК, де: Т - температура, К; А - універсальна газова постійна, Дж/(мольК); Е- число Фарадея, . -. В, . -
Дж/моль; п - число електронів, що беруть участь у реакції; 229 - парціальний тиск пар води в паро-водневій камері, Па; Тв, - парціальний тиск водню в досліджуваному середовищі, Па.
Вивід електричного сигналу для подачі його на вторинну апаратуру забезпечується потенциалознімачем 3. Зміна концентрації водню в контрольованому середовищі приводить до зміни величини електричного сигналу, що дозволяє здійснювати безперервне його знімання й обробку.
Інерційність датчика пов'язана із проникністю водню через селективну мембрану 1 і може бути оцінендуа допомогою часу запізнювання сигналу:
Тзап «р де й - товщина селективної мембрани 1, м; Ю - коефіцієнт дифузії водню в матеріалі селективної мембрани 1, м/сек, 5 - площа поверхні селективної мембрани 1, м? і М - внутрішній обсяг селективної мембрани 1, му.
Промислове застосування.
Датчик може бути виготовлений у промислових масштабах і не вимагає для свого виробництва спеціального устаткування.
Claims (4)
1. Датчик водню в рідких і газових середовищах, що включає селективну мембрану й корпус, усередині якого розташований потенціалознімач, керамічний чутливий елемент із твердого електроліту, у порожнині якого розміщений еталонний електрод, пористий платиновий електрод, нанесений на зовнішню поверхню керамічного чутливого елемента, гермоввід, розташований герметично усередині корпусу над керамічним чутливим елементом, потенціалознімач, що проходить через центральний отвір гермовводу і нижню втулку, причому керамічний чутливий елемент виконаний у вигляді сполучених між собою циліндричного елемента і днища, розташованого в нижній частині циліндричного елемента, зовнішня циліндрична поверхня керамічного чутливого елемента герметично з'єднана із внутрішньою бічною поверхнею корпусу, еталонний електрод розташований у внутрішній порожнині керамічного чутливого елемента, зовнішня частина днища керамічного чутливого елемента покрита шаром пористого платинового електрода, кінець центральної жили потенціалознімача виведений в обсяг еталонного електрода, при цьому забезпечений електричний контакт між еталонним електродом і нижньою частиною центральної жили потенціалознімача, нижня втулка, виконана у вигляді трубки, з'єднана з нижньою частиною корпусу збоку керамічного чутливого елемента, нижній кінець нижньої втулки має дно із центральним отвором, до якого прикріплена селективна мембрана, виконана щонайменше з однієї трубки, нижній вільний кінець селективної мембрани герметично закритий заглушкою, а порожнина, обмежена внутрішньою поверхнею нижньої втулки, зовнішньою частиною днища керамічного чутливого елемента й внутрішніми поверхнями селективної мембрани й заглушки, виконана герметичною, який відрізняється тим, що зверху потенціалознімача встановлена верхня втулка, при цьому кільцева порожнина між внутрішньою поверхнею стінки верхньої втулки й зовнішньою поверхнею потенціалознімача заповнена герметиком, що являє собою ситал.
2. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що ситал складається з оксиду кремнію (5іС2г) - 50 мас. 95, оксиду алюмінію (А/ІгОз) - 5 мас. 95, оксиду бору (ВгОз) - 20 мас. 95, оксиду титану (ТіОг) - 10 мас. 95, оксиду натрію (МагО) - 12 мас. 95, оксиду калію (КгО) - 1 мас. 95 і оксиду магнію (МаО) - 2 мас. 95. Зо
3. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що верхня втулка виконана з нержавіючої сталі.
4. Датчик за п. 1, який відрізняться тим, що селективна мембрана виконана щонайменше з однієї трубки.
в ок джин. Й хх, ккрккіжя Кт ар, я ще З Ж: и фен? щі МО щЩ. шЩ с щ й ши шк Це ЕК й Де Бк ях : не дини амінів К Х ЖК, З Зк я окт учи ктни хе ід к її зе нини ! Днях ссіедккл, ен: пи кн ; Ше б я Ши З й сення 12 фії
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150468/28A RU2574423C1 (ru) | 2014-12-15 | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| PCT/RU2015/000789 WO2016099329A1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA121488C2 true UA121488C2 (uk) | 2020-06-10 |
Family
ID=56127045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA201707420A UA121488C2 (uk) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водню в рідких і газових середовищах |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10962502B2 (uk) |
| EP (1) | EP3236249B1 (uk) |
| JP (1) | JP6921746B2 (uk) |
| KR (1) | KR102199059B1 (uk) |
| CN (1) | CN107209148A (uk) |
| BR (1) | BR112017013044B1 (uk) |
| CA (1) | CA2971131A1 (uk) |
| EA (1) | EA032158B1 (uk) |
| MY (1) | MY196623A (uk) |
| UA (1) | UA121488C2 (uk) |
| WO (1) | WO2016099329A1 (uk) |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3865709A (en) * | 1973-11-02 | 1975-02-11 | Prodyot Roy | Carbon activity meter |
| JPS5111494A (uk) * | 1974-07-19 | 1976-01-29 | Hitachi Ltd | |
| JPS62277547A (ja) * | 1986-05-26 | 1987-12-02 | Terumo Corp | ガスセンサ− |
| AU708240B2 (en) * | 1995-07-18 | 1999-07-29 | Heraeus Electro-Nite International N.V. | Sensor for measuring gas concentrations |
| RU2120624C1 (ru) * | 1997-07-21 | 1998-10-20 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах |
| DE19735559A1 (de) * | 1997-08-16 | 1999-02-18 | Bosch Gmbh Robert | Gasmeßfühler |
| JP2000147184A (ja) * | 1998-11-12 | 2000-05-26 | Agency Of Ind Science & Technol | 水質センサー |
| JP2000249681A (ja) * | 1999-02-26 | 2000-09-14 | Riken Corp | ガスセンサ封止構造体 |
| JP2000311727A (ja) * | 1999-04-27 | 2000-11-07 | Nec Kansai Ltd | 絶縁封止構体 |
| US6391809B1 (en) * | 1999-12-30 | 2002-05-21 | Corning Incorporated | Copper alumino-silicate glasses |
| DE10222789B4 (de) * | 2002-05-23 | 2006-12-07 | Robert Bosch Gmbh | Gasmeßfühler |
| RU2298176C2 (ru) * | 2004-07-23 | 2007-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" | Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода и способ его изготовления |
| CN101002137A (zh) * | 2004-08-11 | 2007-07-18 | 日本化药株式会社 | 液晶用密封剂及使用该密封剂的液晶显示单元 |
| JP4035848B2 (ja) * | 2005-08-12 | 2008-01-23 | 株式会社新潟Ｔｌｏ | 水素ガス漏洩警報システム |
| KR100732816B1 (ko) * | 2006-01-24 | 2007-06-27 | 삼성에스디아이 주식회사 | 유기전계발광 표시장치 및 그 제조방법 |
| KR20080051756A (ko) * | 2006-12-06 | 2008-06-11 | 삼성에스디아이 주식회사 | 유기 발광 표시 장치 및 그 제조 방법 |
| JP2009156756A (ja) * | 2007-12-27 | 2009-07-16 | Yamaha Motor Co Ltd | ガスセンサおよびそれを備えた空燃比制御装置ならびに輸送機器 |
| 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 |
| JP2010243422A (ja) * | 2009-04-09 | 2010-10-28 | Denso Corp | ガスセンサ及びその製造方法 |
| 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 |
| EP2486170B8 (en) * | 2009-10-06 | 2015-06-10 | Haldor Topsøe A/S | Sealing glass for solid oxide electrolysis cell (soec) stacks |
| EP2564471B1 (en) * | 2010-04-27 | 2021-01-20 | Ferro Corporation | Hermetic sealing of glass plates |
| EP2751044B1 (en) * | 2011-09-13 | 2020-04-22 | Ferro Corporation | Induction sealing of inorganic substrates |
| JP2013238556A (ja) * | 2012-05-17 | 2013-11-28 | Denso Corp | ガスセンサ |
| RU2533931C1 (ru) * | 2013-06-14 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах |
| CN104003621A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-08-27 | 南通市中友钢化玻璃制造有限公司 | 一种导电玻璃纤维的生产工艺 |
-
2015
- 2015-11-16 CA CA2971131A patent/CA2971131A1/en active Pending
- 2015-11-16 EP EP15870437.9A patent/EP3236249B1/en active Active
- 2015-11-16 CN CN201580076080.1A patent/CN107209148A/zh active Pending
- 2015-11-16 MY MYPI2017702211A patent/MY196623A/en unknown
- 2015-11-16 JP JP2017532114A patent/JP6921746B2/ja active Active
- 2015-11-16 UA UAA201707420A patent/UA121488C2/uk unknown
- 2015-11-16 WO PCT/RU2015/000789 patent/WO2016099329A1/ru active Application Filing
- 2015-11-16 EA EA201650105A patent/EA032158B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2015-11-16 KR KR1020177019580A patent/KR102199059B1/ko active IP Right Grant
- 2015-11-16 US US15/536,218 patent/US10962502B2/en active Active
- 2015-11-16 BR BR112017013044-0A patent/BR112017013044B1/pt active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6921746B2 (ja) | 2021-08-18 |
| EA201650105A1 (ru) | 2017-07-31 |
| US10962502B2 (en) | 2021-03-30 |
| MY196623A (en) | 2023-04-23 |
| JP2018501481A (ja) | 2018-01-18 |
| CA2971131A1 (en) | 2016-06-23 |
| US20170322176A1 (en) | 2017-11-09 |
| WO2016099329A1 (ru) | 2016-06-23 |
| EP3236249A4 (en) | 2018-06-20 |
| EP3236249B1 (en) | 2024-03-13 |
| EP3236249A1 (en) | 2017-10-25 |
| BR112017013044B1 (pt) | 2021-06-08 |
| EA032158B1 (ru) | 2019-04-30 |
| EP3236249C0 (en) | 2024-03-13 |
| KR20170102493A (ko) | 2017-09-11 |
| CN107209148A (zh) | 2017-09-26 |
| KR102199059B1 (ko) | 2021-01-07 |
| BR112017013044A2 (pt) | 2018-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2009544020A (ja) | 侵食性外気の中にある湿度センサのための防護装置 | |
| RU90907U1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред | |
| RU2379672C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| JP2007248313A (ja) | 定電位電解式ガスセンサ | |
| RU2602757C2 (ru) | Датчик водорода в газовых средах | |
| UA121488C2 (uk) | Датчик водню в рідких і газових середовищах | |
| RU188416U1 (ru) | Сенсор для измерения концентрации кислорода, водорода и влажности газовых смесей | |
| RU2574423C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU2533931C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах | |
| RU2483299C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| RU2490623C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях | |
| RU2489711C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах | |
| RU187673U1 (ru) | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве | |
| RU2120624C1 (ru) | Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах | |
| JPS6158779B2 (uk) | ||
| US6652722B2 (en) | Sensor for measuring the partial pressure of a gas of the type comprising an electrochemical cell and a gaseous diffusion barrier | |
| RU2576335C1 (ru) | Чувствительный элемент датчика парциального давления кислорода | |
| JP3855010B2 (ja) | 金属流体中の酸素濃度測定装置 | |
| JP2019537027A (ja) | 電気化学センサ | |
| JP2020118487A (ja) | ガスセンサ及びガスセンサの使用方法 | |
| CN105445348A (zh) | 一种便携式二氧化碳气敏电极 |