Кислородный датчик
Предлагаемая полезная модель кислородного датчика относится к области аналитического приборостроения. Цель полезной модели - повышение точности измерений, улучшение стабильности параметров и их воспроизводимости при серийном изготовлении. Предлагаемый кислородный датчик содержит нагреватель, термопару и твердоэлектролитную ячейку на основе диоксида циркония, обладающего кислородионной проводимостью, с электродами из пористого газопроницаемого материала, катодная камера которой соединена с анализируемым газом через диффузионный барьер. Новым является то, что в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним диаметром канала 0,7-1,2 мм и длиной 40-80 мм, конструктивно совмещенный с деталями газового тракта анализируемой среды и катодной камерой твердоэлектролитной ячейки, размещенной внутри нагревателя, создающего равномерное температурное поле в рабочей области измерений. Предложенное решение позволяет повысить точность измерений, улучшить стабильность параметров и их воспроизводимость при изготовлении. Изготовлены образцы кислородного датчика. Экспериментальные исследования подтвердили возможность измерения объемной доли кислорода в кислородоазотной и кислородоаргонной газовых смесях в диапазоне 98...100% с абсолютной.погрешностью ±0,1%. Предлагаемый кислородный датчик иллюстрируется чертежом
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в газоанализаторах для измерения концентраций кислорода в газовых смесях состава "кислород-азот", "кислород-аргон".
Известен датчик, основанный на термомагнитном методе определения концентраций кислорода в газах (технические условия ИБЯЛ.413231.002 ТУ-94 на газоанализатор ГТМ-5101М).
Принцип работы термомагнитного датчика основан на парамагнитных свойствах кислорода. Под действием магнитного поля возникает термомагнитная конвекция кислорода, содержащегося в потоке анализируемого газа, пропускаемого через кольцевой газопровод. По внутреннему диаметру газопровода имеется соединительный газоход, находящийся под действием магнитного поля. В газоходе устанавливается поток газа, интенсивность которого зависит от концентрации кислорода. Поток газа охлаждает платиновые проволоки, являющиеся плечами измерительного моста постоянного тока. Напряжение разбаланса моста измеряется прибором, отградуированным в единицах концентрации по кислороду.
К недостаткам этого датчика следует отнести невысокую точность измерений (абсолютная погрешность ±0,2%) и недостаточную стабильность во времени, что приводит к необходимости проведения частой градуировки по поверочным газовым смесям в процессе эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является кислородный датчик (патент США №4571285, кл. G 01 N 27/56, 1986 г.), имеющий кожух из материала на основе диоксида циркония с отверстием диаметром 10-50 мкм с длиной канала 1 мм, использовавшийся в качестве диффузионного барьера, проводящую пластину из аналогичного материала, обладающего кислородионной проводимостью при температуре 350-4500С, два пленочных электрода на противоположных сторонах этой пластины, которая с помощью стеклянного спая укреплена на одной стороне кожуха и образует вместе с ним диффузионную катодную камеру, рабочая температура в которой создается нагревательным
элементом, размещенным внутри камеры. При проведении измерений электроды подключаются к источнику напряжения для подачи на них электрического потенциала, под действием которого ионы кислорода переносятся сквозь пластину, создавая между электродами ток, величина которого характеризует концентрацию кислорода в анализируемой газовой среде.
Существенными недостатками рассматриваемого датчика являются недостаточная точность измерений (абсолютная погрешность ±0,5%) и сложность получения воспроизводимых градуировочных характеристик датчиков этого типа, что связано с технологическими трудностями изготовления одинаковых отверстий из-за их малости и расположения нагревателя внутри катодной камеры, что не позволяет создать равномерное температурное поле в рабочей области измерений.
Целью полезной модели является повышение точности измерений, улучшение стабильности параметров и их воспроизводимость при изготовлении.
Поставленная цель тем, что в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним диаметром канала 0,8 мм и длиной 50 мм, конструктивно совмещенный с деталями газового тракта анализируемой среды и катодной камерой твердоэлектролитной ячейки, размещенной внутри нагревателя, создающего равномерное температурное поле в рабочей области измерений.
На фигуре приведен чертеж кислородного датчика, реализируещего диффузионный метод. Датчик содержит твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ), включающую пробирку 1 из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним 2 и внешним 3 электродами из пористого газопроницаемого металла, выведенными на контакты 4 и 5. К пробирке герметично подсоединен капилляр 6, выполненный из твердого электролита на основе диоксида циркония, который служит диффузионным барьером и омывается потоком анализируемого газа, поступающим через штуцер 7 ВХОД ГАЗА. В качестве анализируемого газа используется газовая смесь кислород-азот или кислород-аргон. Равномерное температурное поле в рабочей области ТЭЯ создается нагревателем 8, к контактам 9 и 10 которого подается напряжение от регулируемого источника питания (на чертеже не показан). Температура устанавливается постоянной величиной 750°С, а ее контроль осуществляется термопарой 11.
В рабочем режиме под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания к электродам ТЭЯ (плюс источника - к наружному электроду), кислород извлекается из катодной камеры и переносится через твердый электролит в окружающую среду, а в катодной камере накапливается азот или аргон. По мере накопления возрастает поток азота (аргона), направленный из катодной камеры ТЭЯ в анализируемый газ, который по каналу 12 через штуцер 13 сбрасывается в дренаж, соединенный с окружающей средой. С течением времени устанавливается стационарное состояние, когда диффузионный поток азота (аргона) из катодной камеры ТЭЯ становится равным потоку азота (аргона), поступающему в катодную камеру. При этом поток кислорода через диффузионный барьер в катодную камеру имеет постоянное значение.
Ток, протекающий через ТЭЯ в процессе достижения стационарного состояния, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током.
Объемная доля кислорода в анализируемом газе связана с предельным диффузионным током соотношением:
C=100[1-exp(-k·I)]
где С - объемная доля кислорода в анализируемом газе, %
I - предельный диффузионный ток, А
100 - коэффициент, позволяющий выразить объемную долю в процентах, %
k - коэффициент, зависящий от длины капилляра, диаметра его внутреннего канала, от рабочих условий ТЭЯ и коэффициента диффузии, 1/А.
Капилляр устанавливается в корпусе 14 и герметизируется втулкой из фторопласта 15, и прокладками из резины 16 и фторопласта 17. Нагреватель 8 и корпус 14 установлены на основании 18.
Экспериментальные исследования кислородного датчика и испытания его в составе газоанализатора кислорода подтвердили возможность измерения объемной доли кислорода в кислородоазотной (кислородоаргонной) газовых смесях в диапазоне 98...100% с абсолютной погрешностью ±0,1%.
Организован серийный выпуск кислородных датчиков в составе газоанализаторов кислорода.
Кислородный датчик, содержащий нагреватель, термопару и твердоэлектролитную ячейку из диоксида циркония, обладающую кислородионной приводимостью, с нанесенными электродами из пористого газопроницаемого материала, катодная камера которой соединена с анализируемым газом через диффузионный барьер, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, улучшения стабильности параметров и их воспроизводимости при изготовлении, в качестве диффузионного барьера использован капилляр из твердого электролита на основе диоксида циркония с внутренним диаметром канала 0,8 мм и длиной 50 мм, конструктивно совмещенный с деталями газового тракта и катодной камерой твердоэлектролитной ячейки, размещенной внутри нагревателя, создающего равномерное температурное поле в рабочей области измерений.
