EA032158B1 - Датчик водорода в жидких и газовых средах - Google Patents
Датчик водорода в жидких и газовых средах Download PDFInfo
- Publication number
- EA032158B1 EA032158B1 EA201650105A EA201650105A EA032158B1 EA 032158 B1 EA032158 B1 EA 032158B1 EA 201650105 A EA201650105 A EA 201650105A EA 201650105 A EA201650105 A EA 201650105A EA 032158 B1 EA032158 B1 EA 032158B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- sensing element
- ceramic
- ceramic sensing
- selective membrane
- sensor
- Prior art date
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 33
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 37
- 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
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims abstract 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 7
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M dipotassium;hydroxide Chemical compound [OH-].[K+].[K+] FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 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
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 9
- 239000000565 sealant Substances 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 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 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 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
- 238000007789 sealing Methods 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
- 238000012360 testing method Methods 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
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration 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
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002077 partially stabilized zirconia Inorganic materials 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
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 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
- G01N27/02—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
- 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
- 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
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений. Датчик водорода в жидких и газовых средах включает селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода. Нижняя втулка выполнена в виде трубки, соединенной с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Датчик дополнительно снабжен верхней втулкой и герметиком, представляющим собой ситалл. Технический результат состоит в повышении ресурса и надежности работы датчика водорода в широком диапазоне параметров рабочей среды посредством обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента.
Description
Область техники
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений.
Предшествующий уровень техники
Известен электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах (патент на изобретение РФ № 2120624, МПК Ο01Ν 27/417 Электрохимический датчик концентрации водорода в газовых и жидких средах, опубл. 20.10.1998).
Датчик включает корпус, герметично соединенный с помощью металла с твердоэлектролитным датчиком кислорода. Твердоэлектролитный датчик кислорода состоит из керамического изолятора, закрытого в нижней части пробкой из твердого электролита, пористого платинового электрода, нанесенного на внешнюю сторону пробки, жидкого металлооксидного эталонного электрода, размещенного с внутренней стороны пробки, термопары-токоподвода, закрепленного в крышке, закрывающей сверху керамический изолятор. К нижней части корпуса приварена селективная мембрана, выполненная в виде гофрированного стакана. Между селективной мембранной и пробкой твердого электролита установлена таблетка из пористого электроизоляционного оксида.
Недостатком известного устройства является относительно низкая герметичность внутренней полости керамического чувствительного элемента, возникающая из-за натечек кислорода через зазор между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника, что приводит к окислению эталонного электрода и снижению ресурса и надежности работы устройства в целом.
Известен электрохимический датчик концентрации водорода в жидкостях и газах (Дмитриев И.Г., Орлов В.Л., Шматко Б.А. Электрохимический датчик водорода в жидкостях и газах//Сб. тезисов докладов межотраслевой конференции Теплофизика-91. Обнинск, 1993, с. 134-136).
Датчик включает электрохимическую кислородную ячейку на базе твердого электролита из стабилизированного диоксида циркония, жидкометаллического электрода сравнения из смеси Βί+Βί2Ο3, измерительного платинового электрода, который помещен в герметичную камеру, заполненную водным паром.
Недостатками известного технического решения являются относительно низкая надежность и малый ресурс работы устройства из-за сложности конфигурации датчика;
относительно низкая термическая и коррозийная стойкость твердоэлектролитического датчика кислорода к парам воды;
относительно высокая инерционность устройства и недостаточная чувствительность из-за сложности стабилизации парциального давления паров воды в измерительной камере;
относительно низкая точность измерения концентрации водорода, которая является следствием сложного поддержания стабильности температуры и трубопроводов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является датчик водорода в жидких и газовых средах (патент на изобретение РФ № 2379672, МПК Ο01Ν 27/417Датчик водорода в жидких и газовых средах, опубл. 20.01.2008).
Датчик водорода включает селективную мембрану, пористую электроизоляционную керамику и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента кремнеземной тканью и соединительным материалом, пробкой, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемник в виде двухоболочечного кабеля, проходящего через центральное отверстие гермоввода, цилиндрической втулкой. Полость корпуса между гермовводом и керамическим чувствительным элементом является герметичной. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала. Эталонный электрод расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, и занимает по меньшей мере ее часть. Наружная сферическая часть керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника, обращенный в сторону керамического чувствительного элемента, выведен через отверстие в пробке в объем эталонного электрода. Обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Часть керамического чувствительного элемента выступает за пределы корпуса. Втулка, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса со стороны выступающей части керамического чувствительного элемента. Нижний конец втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная по меньшей мере из одной трубки. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт
- 1 032158 заглушкой. Полость, ограниченная внутренней поверхностью втулки, соединительным материалом, внешней, выступающей за пределы корпуса частью керамического чувствительного элемента и внутренней поверхностью селективной мембраны, герметична. Внутренняя полость втулки между выступающей частью керамического чувствительного элемента и дном втулки заполнена кремнеземной тканью. Пористая электроизоляционная керамика выполнена в виде цилиндра и размещена с кольцевым зазором по отношению к внутренней поверхности селективной мембраны.
Недостатком известного устройства является относительно низкая герметичность (недостаток 1) внутренней полости керамического чувствительного элемента, что может привести к натечкам во внутреннюю полость кислорода через зазор между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника и, в конечном результате, к окислению эталонного электрода и снижению ресурса и надежности работы устройства в целом. Также вследствие отсутствия надежной герметизации верхней части потенциалосъмника (недостаток 2) возможно попадание влаги внутрь изоляции двухоболочечного кабеля, что приводит к уменьшению сопротивления центральной жилой и оболочкой кабеля и, как следствие, к потере полезного сигнала и искажению показаний датчика.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в повышении стабильности и достоверности показаний датчика водорода, а также ресурса и надежности его работы в широком диапазоне параметров рабочей среды.
Технический результат
Технический результат состоит в повышении точности показаний датчика водорода за счет обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента и увеличения электросопротивления между центральной жилой и оболочкой потенциалосъемника вследствие обеспечения надежной герметизации верхней части потенциалосъемника, а также в исключении окисления эталонного электрода датчика.
Для решения поставленной задачи предложена конструкция датчика, включающего селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита. В полости керамического чувствительного элемента размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента. Г ермоввод расположен герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом.Потенциалосъемник проходит через центральное отверстие гермоввода и нижнюю втулку, причем керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента. Наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода, при этом обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Нижняя втулка выполнена в виде трубки и соединена с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента. Нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная по меньшей мере из одной трубки. Нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной. Датчик отличается тем, что дополнительно снабжен верхней втулкой и герметиком, заполняющим кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника. Герметик представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (8ίΘ2) - 45+55 мас.%, оксида алюминия (А12О3) - 4+6 мас.%, оксида бора (В2О3) - 18+22 мас.%, оксида титана (Т1О2) - 9+12 мас.%, оксида натрия (Ыа2О) - 12+15 мас.%, оксида калия (К2О) - 1+2 мас.% и оксида магния (МдО) - 2+3 мас.%.
Предпочтительным является ситалл, состоящий из оксида кремния (81О2) - 50 мас.%, оксида алюминия (А12О3) - 5 мас.%, оксида бора (В2О3) - 20 мас. %, оксида титана (Т1О2) - 10 мас. %, оксида натрия (Ыа2О) - 12 мас.%, оксида калия (К2О) - 1 мас.% и оксида магния (МдО) - 2 мас.%.
При этом герметик заполняет кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника, верхняя втулка выполнена из нержавеющей стали. Селективная мембрана датчика водорода, выполнена по меньшей мере из одной трубки.
Истинные значения ЭДС датчика связаны с ЭДС, индицируемым вторичным прибором, следующим образом:
где Е0 - истинное значения ЭДС датчика;
Е - ЭДС, индицируемая вторичным прибором;
Ко - внутреннее электросопротивление датчика (керамического чувствительного элемента);
- 2 032158
К.,, - электросопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление вторичного прибора и сопротивление центральная жила-оболочка кабеля потенциалосъемника.
Таким образом, из данной формулы видно, что чем больше электросопротивление цепи, тем ближе регистрируемый сигнал датчика к истинному.
Конструкция датчика позволяет повысить стабильность и достоверность показаний датчика водорода, а также ресурс и надежность его работы в широком диапазоне параметров рабочей среды.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено продольное осевое сечение датчика, общий вид.
Осуществление изобретения
Датчик водорода включает селективную мембрану 1 и корпус 2. Внутри корпуса 2 расположен потенциалосъемник 3, керамический чувствительный элемент 4 из твердого электролита. В полости чувствительного элемента размещен эталонный электрод 5, пористый платиновый электрод 6, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента 4. Гермоввод 7 расположен герметично внутри корпуса 2 над керамическим чувствительным элементом 4. Датчик содержит верхнюю 8 и нижнюю 9 втулки, герметик 10, центральную жилу потенциалосъемника 11 и заглушку 12.
Герметик 10 заполняет кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки 8 и наружной поверхностью центральной жилы потенциалосъемника 11.
Потенциалосъемник 3 проходит через центральное отверстие гермоввода 7.
Керамический чувствительный элемент 4 расположен в нижней части датчика и выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрической частии донышка.
Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента 4 герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 2.
Эталонный электрод 5 расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента 4.
Наружная часть днища керамического чувствительного элемента 4 покрыта слоем пористого платинового электрода 6.
Конец центральной жилы потенциалосъемника 3 выведен в объем эталонного электрода 5.
Между эталонным электродом 5 и нижней частью центральной жилы 11 потенциалосъемника 11 обеспечен электрический контакт.
Нижняя втулка 9, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса 2 со стороны керамического чувствительного элемента 4.
Нижний конец нижней втулки 9 имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана 1, выполненная по меньшей мере из одной трубки.
Нижний свободный конец селективной мембраны 1 герметично закрыт заглушкой 12.
Полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки 9, внешней частью днища керамического чувствительного элемента 4 и внутренними поверхностями селективной мембраны 1 и заглушки 12, выполнена герметичной.
Герметик 10 представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (8ίΘ2) - 50 мас.%, оксида алюминия (А12О3) - 5 мас.%, оксида бора (В2О3) - 20 мас.%, оксида титана (Т1О2) - 10 мас.%, оксида натрия (Να2Ο) - 12 мас.%, оксида калия (К2О) - 1 мас.% и оксида магния (МдО) - 2 мас.%.
Герметик необходим для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств эталонного электрода 5. Указанный состав герметика был определен в ходе исследований и обеспечивает большую устойчивость к неблагоприятным условиям эксплуатации в агрессивной среде при повышенной температуре, а значит обеспечивается герметичность датчика на более длительном сроке эксплуатации и снижаются риски разгерметизации и ухудшения погрешности показаний.
В частном случае исполнения датчика верхняя втулка 8 выполнена из нержавеющей стали.
Материалы верхней втулки 8 и потенциалосъемника 3 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, что позволяет сохранять работоспособность датчика водорода при изменении температуры окружающей среды в диапазоне температур 0-300°С.
Нижняя втулка 9 и заглушка 12 выполнены из никеля марки НПО.
Гермоввод 7 и верхняя втулка 8 изготовлены из стали 12Х18Н10Т.
Керамический чувствительный элемент 4 выполнен из частично стабилизированного диоксида циркония и выступает за пределы корпуса 2 на расстояние 6 мм.
Корпус 2 изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 и имеет следующие размеры: диаметр - 15 мм, длина - 220 мм.
Пористый платиновый электрод 6 имеет толщину 20 мкм.
В качестве потенциалосъемника 3 использован двухоболочечный кабель типа КНМС 2 С.
Селективная мембрана 1 состоит из одной трубки, выполненной из никеля марки НМг0.08в. Размеры селективной мембраны 1: диметр - 6 мм; длина - 40 мм, толщина стенки - 0,15 мм.
Эталонный электрод 5 выполнен из смеси висмута и оксида висмута.
Отношение площади внутренней боковой поверхности селективной мембраны 1 к ее внутреннему
- 3 032158 свободному объему составляет 0,4 мм-1.
На внешней и внутренней частях селективной мембраны 1 выполнена химически стойкая в окислительной среде защитная пленка из Ρά.
Принцип действия датчика водорода основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием сенсора кислорода на основе твердого оксидного электролита.
Датчик водорода работает следующим образом.
При размещении датчика водорода в исследуемой среде водород, содержащийся в ней, через селективную мембрану 1 обратимо диффундирует в пароводородную камеру (полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки 9, внешней выступающей за пределы корпуса 6 частью керамического чувствительного элемента 4 и внутренней поверхностью селективной мембраны 1), изменяя ЭДС датчика.
ЭДС датчика возникает за счет разности парциальных давлений кислорода на электродах гальванического концентрационного элемента, схема которого может быть представлена в виде
Ме|эталонный электрод (5)||2тО2-У2О3||пористый платиновый электрод (6)|Н2О, Н2|селективная мембрана|среда.
Пароводородная камера имеет фиксированное парциальное давление паров воды и функционирует как преобразователь термодинамического потенциала водорода в окислительный потенциал пароводородной смеси на пористом платиновом электроде 6.
Результирующая ЭДС является функцией давления водорода и записывается следующим образом:
„ г К-Т Рн2о
Е= Еп--1п—— п-Р РН1 ’ где Т - температура, К;
К - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);
Р- число Фарадея, Дж/моль;
η - число электронов, участвующих в реакции;
р Ηι° - парциальное давление паров воды в пароводородной камере, Па;
- парциальное давление водорода в исследуемой среде, Па.
Вывод электрического сигнала для подачи его на вторичную аппаратуру обеспечивается потенциалосъемником 3. Изменение концентрации водорода в контролируемой среде приводит к изменению величины электрического сигнала, что позволяет осуществлять непрерывный его съем и обработку.
Инерционность датчика связана с проницаемостью водорода через селективную мембрану 1 и может быть оценена с помощью времени запаздывания сигнала Тзап ~ 50 ’ где ά - толщина селективной мембраны 1, м;
Ό - коэффициент диффузии водорода в материале селективной мембраны 1, м2/с;
- площадь поверхности селективной мембраны 1, м2;
Р - внутренний объем селективной мембраны 1, м3.
Промышленная применимость
Датчик может быть изготовлен в промышленных масштабах и не требует для своего производства специального оборудования.
Claims (4)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Датчик концентрации водорода в жидких и газовых средах, включающий селективную мембрану и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, пористый платиновый электрод, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента, гермоввод, расположенный герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, и нижней втулкой, причем керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента, наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса, эталонный электрод расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента, наружная часть днища керамического чувствительного элемента покрыта слоем пористого платинового электрода, конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем эталонного электрода, при этом обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника, нижняя втулка, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса со стороны керамического чувствительного элемента, нижний конец нижней втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана, выполненная по- 4 032158 меньшей мере из одной трубки, нижний свободный конец селективной мембраны герметично закрыт заглушкой, а полость, ограниченная внутренней поверхностью нижней втулки, внешней частью днища керамического чувствительного элемента и внутренними поверхностями селективной мембраны и заглушки, выполнена герметичной, отличающийся тем, что вверху потенциалосъемника установлена верхняя втулка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки верхней втулки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена герметиком, представляющим собой ситалл.
- 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что ситалл состоит из оксида кремния (8102) - 50 мас.%, оксида алюминия (ΑΙ2Ο3) - 5 мас.%, оксида бора (В2О3) - 20 мас.%, оксида титана (Т1О2) - 10 мас.%, оксида натрия (Ка2О) - 12 мас.%, оксида калия (К2О) - 1 мас.% и оксида магния (МдО) - 2 мас.%.
- 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что верхняя втулка выполнена из нержавеющей стали.
- 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что селективная мембрана, выполнена по меньшей мере из одной трубки.
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 (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201650105A1 EA201650105A1 (ru) | 2017-07-31 |
| EA032158B1 true EA032158B1 (ru) | 2019-04-30 |
Family
ID=56127045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201650105A EA032158B1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10962502B2 (ru) |
| EP (1) | EP3236249B1 (ru) |
| JP (1) | JP6921746B2 (ru) |
| KR (1) | KR102199059B1 (ru) |
| CN (1) | CN107209148A (ru) |
| BR (1) | BR112017013044B1 (ru) |
| CA (1) | CA2971131A1 (ru) |
| EA (1) | EA032158B1 (ru) |
| MY (1) | MY196623A (ru) |
| UA (1) | UA121488C2 (ru) |
| WO (1) | WO2016099329A1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2379672C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2010-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| RU90907U1 (ru) * | 2009-09-21 | 2010-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Обнинский Центр Науки И Технологий" | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред |
| 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 |
Family Cites Families (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3865709A (en) * | 1973-11-02 | 1975-02-11 | Prodyot Roy | Carbon activity meter |
| JPS5111494A (ru) * | 1974-07-19 | 1976-01-29 | Hitachi Ltd | |
| JPS62277547A (ja) * | 1986-05-26 | 1987-12-02 | Terumo Corp | ガスセンサ− |
| CN1158164A (zh) * | 1995-07-18 | 1997-08-27 | 赫罗伊斯电气夜间有限公司 | 测量气体浓度的传感器 |
| 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 |
| EP1780587A4 (en) * | 2004-08-11 | 2008-11-12 | Nippon Kayaku Kk | LIQUID CRYSTAL SEALING MATERIAL AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY CELL USING THE SAME |
| 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 |
| JP2010243422A (ja) * | 2009-04-09 | 2010-10-28 | Denso Corp | ガスセンサ及びその製造方法 |
| EP2486170B8 (en) * | 2009-10-06 | 2015-06-10 | Haldor Topsøe A/S | Sealing glass for solid oxide electrolysis cell (soec) stacks |
| US9156735B2 (en) * | 2010-04-27 | 2015-10-13 | Ferro Corporation | Hermetic sealing of glass plates |
| US9969648B2 (en) * | 2011-09-13 | 2018-05-15 | Ferro Corporation | Induction sealing of inorganic substrates |
| JP2013238556A (ja) * | 2012-05-17 | 2013-11-28 | Denso Corp | ガスセンサ |
| 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 UA UAA201707420A patent/UA121488C2/ru unknown
- 2015-11-16 EA EA201650105A patent/EA032158B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2015-11-16 BR BR112017013044-0A patent/BR112017013044B1/pt active IP Right Grant
- 2015-11-16 KR KR1020177019580A patent/KR102199059B1/ko active IP Right Grant
- 2015-11-16 WO PCT/RU2015/000789 patent/WO2016099329A1/ru active Application Filing
- 2015-11-16 JP JP2017532114A patent/JP6921746B2/ja active Active
- 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 CA CA2971131A patent/CA2971131A1/en active Pending
- 2015-11-16 US US15/536,218 patent/US10962502B2/en active Active
- 2015-11-16 MY MYPI2017702211A patent/MY196623A/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 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 |
| RU2517947C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2014-06-10 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Датчик водорода в жидких и газовых средах |
| RU90907U1 (ru) * | 2009-09-21 | 2010-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Обнинский Центр Науки И Технологий" | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред |
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018501481A (ja) | 2018-01-18 |
| KR20170102493A (ko) | 2017-09-11 |
| EP3236249A1 (en) | 2017-10-25 |
| KR102199059B1 (ko) | 2021-01-07 |
| US10962502B2 (en) | 2021-03-30 |
| EP3236249C0 (en) | 2024-03-13 |
| MY196623A (en) | 2023-04-23 |
| EP3236249A4 (en) | 2018-06-20 |
| US20170322176A1 (en) | 2017-11-09 |
| EA201650105A1 (ru) | 2017-07-31 |
| CA2971131A1 (en) | 2016-06-23 |
| WO2016099329A1 (ru) | 2016-06-23 |
| BR112017013044A2 (pt) | 2018-01-02 |
| BR112017013044B1 (pt) | 2021-06-08 |
| JP6921746B2 (ja) | 2021-08-18 |
| UA121488C2 (ru) | 2020-06-10 |
| CN107209148A (zh) | 2017-09-26 |
| EP3236249B1 (en) | 2024-03-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4061556B2 (ja) | 水素量センサーおよび水素貯蔵装置 | |
| RU2379672C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU90907U1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред | |
| RU2602757C2 (ru) | Датчик водорода в газовых средах | |
| EA032158B1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU2574423C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| US20120006097A1 (en) | Method and apparatus for monitoring gas concentration | |
| RU2533931C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах | |
| KR100612270B1 (ko) | 고온 고압 수화학 환경을 위한 외부기준전극 | |
| JPS5838746B2 (ja) | 液体中の溶存酸素量を測定する為の測定装置及びそのための参照電極 | |
| RU187673U1 (ru) | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве | |
| JP3855010B2 (ja) | 金属流体中の酸素濃度測定装置 | |
| CN212622377U (zh) | 一种在线二氧化碳气敏电极 | |
| RU2548374C2 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода в газовых средах | |
| RU164491U1 (ru) | Устройство для измерения рн с ионоселективными электродами | |
| JPS6111642Y2 (ru) | ||
| JPS6131953A (ja) | 高温高圧水用参照電極体 | |
| JPS6041303B2 (ja) | 高温高圧環境下に設置できる照合電極及び腐食試験槽 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AZ KG TJ TM RU |
|
| TC4A | Change in name of a patent proprietor in a eurasian patent |