RU2602757C2 - Датчик водорода в газовых средах - Google Patents
Датчик водорода в газовых средах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2602757C2 RU2602757C2 RU2014150467/28A RU2014150467A RU2602757C2 RU 2602757 C2 RU2602757 C2 RU 2602757C2 RU 2014150467/28 A RU2014150467/28 A RU 2014150467/28A RU 2014150467 A RU2014150467 A RU 2014150467A RU 2602757 C2 RU2602757 C2 RU 2602757C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic
- sensor
- hydrogen
- sensing element
- reference electrode
- Prior art date
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 title 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 45
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 8
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 abstract 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N bismuth(iii) oxide Chemical compound O=[Bi]O[Bi]=O WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M dipotassium;hydroxide Chemical compound [OH-].[K+].[K+] FZFYOUJTOSBFPQ-UHFFFAOYSA-M 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
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000007799 cork Substances 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 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
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
Images
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
- G01N27/02—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
- G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
-
- 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
- G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
-
- 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
- G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
- G01N27/4076—Reference electrodes or reference mixtures
-
- 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)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (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 Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в газовых средах в широком интервале температур и давлений. Датчик водорода в газовых средах включает рабочий элемент, плотно прилегающий посредством уплотнителя к верхней части корпуса датчика. Дополнительная герметичность обеспечена гайкой. Нижняя часть корпуса датчика оконтуривается изоляцией, обеспечивающей плотный контакт с нагревателем, обеспечивающим температурный режим рабочей среды, подаваемой на водородопроницаемую мембрану пароводяной камеры. Через измерительный платиновый электрод, вплотную примыкающий к нижней части керамического чувствительного элемента, герметично соединенного ситаллом с металлическим корпусом чувствительного элемента, возмущение, вносимое измерительным потоком, передается на центральную жилу потенциалосъемника. 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. Изобретение обеспечивает повышение точности показаний датчика водорода за счет обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента и поддержания стабильной рабочей температуры на чувствительной части рабочего элемента вследствие наличия постоянного надежного подогрева при помощи нагревателя и теплоизоляции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в 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 G01N 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 мембраной 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 Bi+Bi2O3, 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 G01N 27/417 «Датчик 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 перекрывающий поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, гермовводом, расположенным герметично внутри корпуса над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемником 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 заглушкой. Полость, ограниченная внутренней поверхностью втулки, соединительным материалом, внешней выступающей за пределы корпус 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 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. Так же, вследствие отсутствия надежной герметизации верхней части потенциалосъемника, 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 газовой рабочей среды.
Технический результат
Технический результат состоит в повышении точности показаний датчика водорода за счет обеспечения герметичности внутренней полости керамического чувствительного элемента и поддержания стабильной рабочей температуры на чувствительной части рабочего элемента вследствие наличия постоянного надежного подогрева при помощи нагревателя и теплоизоляции, исключающей влияние внешних перепадов температур и препятствующей утечке тепла.
Для решения поставленной задачи предложена конструкция датчика, включающего водородопроницаемую мембрану, выполненную, по меньшей мере, из одной трубки, снабженной в верхней части измерительным платиновым электродом, и корпус, внутри которого расположен потенциалосъемник, керамический чувствительный элемент из твердого электролита. В полости керамического чувствительного элемента размещен электрод сравнения. Рабочий элемент расположен герметично внутри корпуса над чувствительным элементом. Потенциалосъемник проходит через центральное отверстие рабочего элемента и нижнюю часть рабочего элемента, причем чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и днища, расположенного в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть потенциалосъемника выполнена герметичной и содержит уплотнитель с плотно прилегающей гайкой. Наружная цилиндрическая поверхность чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса. Эталонный электрод расположен во внутренней полости чувствительного элемента. Конец центральной жилы потенциалосъемника выведен в объем электрода сравнения, при этом обеспечен электрический контакт между электродом сравнения и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Металлический корпус чувствительного элемента выполнен в виде трубки и соединен с верхней частью чувствительного элемента посредством герметика. Герметик представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 45÷55 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) - 4÷6 мас.%, оксида бора (B2O3) - 18÷22 мас.%, оксида титана (TiO2) - 9÷12 мас.%, оксида натрия (Na2O) - 12÷15 мас.%, оксида калия (K2O) - 1÷2 мас.% и оксида магния (MgO) - 2÷3 мас.%.
При этом герметик заполняет кольцевую полость между внутренней поверхностью стенки металлического корпуса чувствительного элемента и верхней втулки и наружной поверхностью керамического чувствительного элемента.
Датчик отличается тем, что дополнительно снабжен нагревателем с теплоизоляцией, служащей для нагрева и поддержания стабильной рабочей температуры на чувствительной части рабочего элемента, а также тем, что к корпусу чувствительного элемента, детали которого изготавливаются из коррозионно-стойкой стали, приваривается пароводородная камера, состоящая из никелевого корпуса и тонкостенной водородопроницаемой мембраны, изготовленной из тонкостенной никелевой трубки. Конструкция датчика позволяет повысить стабильность и достоверность показаний датчика водорода, а также ресурс и надежность его работы в широком диапазоне параметров рабочей среды.
Краткое описание чертежейСущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено продольное осевое сечение датчика, общий вид.
На фиг. 2 представлено продольное осевое сечение рабочего элемента датчика.
На фиг. 3 представлено продольное осевое сечение чувствительного элемента датчика.
Осуществление изобретения
Датчик водорода включает электрод сравнения 1 с погруженной в нее центральной жилой 2 потенциалосъемника 3, размещенный в нижней части керамического чувствительного элемента 4, соединенного с помощью ситалла 5 с металлическим корпусом 6 чувствительного элемента 7, расположенного внутри пароводяной камеры 8. Представленные позиции входят в состав рабочего элемента 9, имеющего дно с центральным отверстием, к которому прикреплена водородопроницаемая мембрана 10, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки, снабженной в верхней части измерительным платиновым электродом 11. Рабочий элемент располагается в металлическом корпусе 12, герметичность которого обеспечивается наличием уплотнителя 13 и гайкой 14. Нагреватель 15 с теплоизоляцией 16 служат для нагрева и поддержания стабильной рабочей температуры на чувствительной части рабочего элемента.
Нагреватель 15 размещен в кольцевой полости между внутренней поверхностью стенки теплоизоляции 16 и наружной поверхностью корпуса датчика содержания водорода в газе 12.
Керамический чувствительный элемент 4 расположен в нижней части датчика и выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрической части и донышка.
Наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента 4 герметично соединена с внутренней боковой поверхностью металлического корпуса 12.
Электрод сравнения 1 расположен во внутренней полости керамического чувствительного элемента 4.
Корпус 12 выполнен в виде трубки, соединенной с металлическим корпусом чувствительного элемента 7.
Герметик 5 представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 50 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) - 5 мас.%, оксида бора (B2O3) - 20 мас.%, оксида титана (TiO2) - 10 мас.%, оксида натрия (Na2O) - 12 мас.%, оксида калия (K2O) - 1 мас. % и оксида магния (MgO) - 2 мас.%.
Герметик необходим для предотвращения попадания кислорода из воздуха во внутреннюю полость датчика и изменения свойств электрода сравнения 1.
Принцип действия датчика водорода основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием сенсора кислорода из твердого оксидного электролита. Для измерения концентрации водорода в газовой среде сенсоры кислорода дооснащены камерой с постоянным давлением паров воды 8 и водородопроницаемой мембраной 10. Водород, содержащийся в среде, через мембрану сенсора водорода обратимо диффундирует внутрь пароводородной камеры 8 к измерительному платиновому электроду 11, изменяя ЭДС датчика. ЭДС датчика возникает за счет разности парциальных давлений кислорода на электродах гальванического концентрационного элемента (ГКЭ), схема которого может быть представлена в виде Me - ЭС - твердооксидный электролит - ИЭ - H2O, Н2 - Н-мембрана - контролируемая среда.
ГКЭ включает керамический чувствительный элемент (КЧЭ) 4 из твердого оксидного электролита, электрод сравнения (ЭС) 1 и измерительный платиновый электрод (ИПЭ) 11.
В качестве твердого оксидного электролита выбран материал на основе частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ). ЧСДЦ обладает высокими термомеханическими свойствами. Доля ионной проводимости в диапазоне температур от 300 до 400°C может быть до 0,95, а в диапазоне температур от 400 до 500°C составляет не менее 0,97. Стойкость к термоударам превышает 20°C/с.
В качестве электрода сравнения 1 используется Bi - Bi2O3 в силу стабильности его термодинамических свойств.
В роли измерительного (рабочего) электрода 11 наилучшим образом подходит пористое композитное покрытие на основе платины, обеспечивающее быстрое каталитическое окисление водорода на его поверхности. Специальный состав и методика нанесения такого покрытия на сырец керамического материала КЧЭ с последующим отжигом позволяет получить высокопористый рабочий электрод толщиной 30 мкм с хорошей адгезией к керамике.
Пароводородная камера 8 располагается в камере между измерительным платиновым электродом 11 и керамическим чувствительным элементом 4 и функционирует как преобразователь термодинамического потенциала водорода в окислительный потенциал пароводородной смеси на платиновом электроде 11. Наиболее подходящим материалом для водородной мембраны 10 является никель по водородной проницаемости и коррозионной стойкости в СВТ.
Промышленная применимость
Датчик может быть изготовлен в промышленных масштабах и не требует для своего производства специального оборудования.
Claims (4)
1. Датчик водорода в газовых средах, включающий водородопроницаемую 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 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 посредством применения герметика ситалла, отличающийся тем, что дополнительно снабжен нагревателем, служащим для нагрева, и теплоизоляцией, служащей для поддержания стабильной рабочей температуры на чувствительной части рабочего элемента.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит камеру с постоянным давлением паров воды для эффективного измерения концентрации водорода в газовой среде.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что вверху потенциалосъемника установлена верхняя гайка, при этом кольцевая полость между внутренней поверхностью стенки гайки и наружной поверхностью потенциалосъемника заполнена уплотнителем.
4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что к корпусу чувствительного элемента, детали которого изготавливаются из коррозионно-стойкой стали, приваривается пароводородная камера, состоящая из никелевого корпуса и тонкостенной водородопроницаемой мембраны, изготовленной из тонкостенной никелевой трубки.
Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150467/28A RU2602757C2 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Датчик водорода в газовых средах |
| CA2971160A CA2971160A1 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen detector for gas media |
| MYPI2017702214A MY195048A (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen Detector for Gas Media |
| BR112017013045-9A BR112017013045B1 (pt) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Detector de hidrogênio para meios gasosos |
| KR1020177019581A KR102278286B1 (ko) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 가스 매체용 수소 검출기 |
| EA201650104A EA032157B1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в газовых средах |
| JP2017532102A JP6777633B2 (ja) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 気相媒体用水素検出器 |
| PCT/RU2015/000791 WO2016099330A1 (ru) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Датчик водорода в газовых средах |
| US15/536,349 US20170322175A1 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Hydrogen Detector for Gas Media |
| CN201580076099.6A CN107295809A (zh) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | 用于气体介质的氢检测器 |
| EP15870438.7A EP3236250A4 (en) | 2014-12-15 | 2015-11-16 | Sensor for sensing hydrogen in gaseous media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150467/28A RU2602757C2 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Датчик водорода в газовых средах |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014150467A RU2014150467A (ru) | 2016-07-10 |
| RU2602757C2 true RU2602757C2 (ru) | 2016-11-20 |
Family
ID=56127046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014150467/28A RU2602757C2 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Датчик водорода в газовых средах |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170322175A1 (ru) |
| EP (1) | EP3236250A4 (ru) |
| JP (1) | JP6777633B2 (ru) |
| KR (1) | KR102278286B1 (ru) |
| CN (1) | CN107295809A (ru) |
| BR (1) | BR112017013045B1 (ru) |
| CA (1) | CA2971160A1 (ru) |
| EA (1) | EA032157B1 (ru) |
| MY (1) | MY195048A (ru) |
| RU (1) | RU2602757C2 (ru) |
| WO (1) | WO2016099330A1 (ru) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108313972B (zh) * | 2018-03-16 | 2024-03-08 | 苏州芯镁信电子科技有限公司 | 一种氢气传感器及其加工方法和用途 |
| CN111579303A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 中国原子能科学研究院 | 用于液态金属中氢的取样装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124718C1 (ru) * | 1997-06-25 | 1999-01-10 | Научно-исследовательский физико-химический институт им.Л.Я.Карпова | Анализатор селективного определения водорода в газах |
| RU2334979C1 (ru) * | 2007-02-01 | 2008-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский Институт Научно-производственное объединение "Луч" (ФГУП НИИ НПО "Луч") | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах |
| 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 |
| RU2490623C1 (ru) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях |
| 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 (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62277547A (ja) * | 1986-05-26 | 1987-12-02 | Terumo Corp | ガスセンサ− |
| JP2000249681A (ja) * | 1999-02-26 | 2000-09-14 | Riken Corp | ガスセンサ封止構造体 |
| 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 |
| 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 |
-
2014
- 2014-12-15 RU RU2014150467/28A patent/RU2602757C2/ru active
-
2015
- 2015-11-16 EP EP15870438.7A patent/EP3236250A4/en active Pending
- 2015-11-16 JP JP2017532102A patent/JP6777633B2/ja active Active
- 2015-11-16 CA CA2971160A patent/CA2971160A1/en active Pending
- 2015-11-16 WO PCT/RU2015/000791 patent/WO2016099330A1/ru active Application Filing
- 2015-11-16 EA EA201650104A patent/EA032157B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2015-11-16 CN CN201580076099.6A patent/CN107295809A/zh active Pending
- 2015-11-16 BR BR112017013045-9A patent/BR112017013045B1/pt active IP Right Grant
- 2015-11-16 US US15/536,349 patent/US20170322175A1/en not_active Abandoned
- 2015-11-16 KR KR1020177019581A patent/KR102278286B1/ko active IP Right Grant
- 2015-11-16 MY MYPI2017702214A patent/MY195048A/en unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124718C1 (ru) * | 1997-06-25 | 1999-01-10 | Научно-исследовательский физико-химический институт им.Л.Я.Карпова | Анализатор селективного определения водорода в газах |
| RU2334979C1 (ru) * | 2007-02-01 | 2008-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский Институт Научно-производственное объединение "Луч" (ФГУП НИИ НПО "Луч") | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах |
| 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 |
| RU2490623C1 (ru) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях |
| 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 |
|---|---|
| MY195048A (en) | 2023-01-04 |
| EA032157B1 (ru) | 2019-04-30 |
| BR112017013045A2 (pt) | 2018-01-02 |
| EA201650104A1 (ru) | 2017-07-31 |
| JP2018503081A (ja) | 2018-02-01 |
| US20170322175A1 (en) | 2017-11-09 |
| CN107295809A (zh) | 2017-10-24 |
| EP3236250A1 (en) | 2017-10-25 |
| WO2016099330A1 (ru) | 2016-06-23 |
| BR112017013045B1 (pt) | 2021-03-30 |
| KR20170102494A (ko) | 2017-09-11 |
| CA2971160A1 (en) | 2016-06-23 |
| EP3236250A4 (en) | 2018-06-20 |
| KR102278286B1 (ko) | 2021-07-20 |
| JP6777633B2 (ja) | 2020-10-28 |
| RU2014150467A (ru) | 2016-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8152978B2 (en) | Apparatus and method for measuring hydrogen concentration in molten metals | |
| SU1142783A1 (ru) | Устройство дл анализа газа с гальваническими чейками на твердом электролите | |
| RU90907U1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред | |
| RU2602757C2 (ru) | Датчик водорода в газовых средах | |
| RU2379672C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU66056U1 (ru) | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах | |
| RU2574423C1 (ru) | Датчик водорода в жидких и газовых средах | |
| RU2533931C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик концентрации водорода в газовых средах | |
| RU2334979C1 (ru) | Устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах | |
| US10962502B2 (en) | Hydrogen detector for gas and fluid media | |
| RU2489711C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах | |
| RU187673U1 (ru) | Электрохимический сенсор для измерения водорода в металлическом расплаве | |
| KR20060046932A (ko) | 고온 고압 수화학 환경을 위한 외부기준전극 | |
| JPH0829379A (ja) | 溶融金属中の水素溶解量測定用センサ | |
| JPS6111642Y2 (ru) | ||
| JP3855010B2 (ja) | 金属流体中の酸素濃度測定装置 | |
| SU1075137A1 (ru) | Электрохимический датчик кислорода | |
| JPH0829378A (ja) | 溶融金属中の水素溶解量測定用センサ | |
| JPH0829377A (ja) | 溶融金属中の水素溶解量測定用センサ |