Чувствительный элемент датчика парциального давления so2 в газовых смесях

 

Использование: в приборостроении и в различных отраслях химической, металлургической промышленности и энергетики для определения содержания окислов серы в газовых смесях и в окружающей среде. Сущность изобретения: чувствительный элемент датчика состоит из последовательно соединенных слоев электрода, чувствительного к SO₂ из диоксида ванадия, твердого электролита Li₂SO₄ - Al₂O₃ сульфата серебра и металлического серебра. 1 табл.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может применяться в различных отраслях промышленности и энергетики для определения содержания окислов серы в газовых смесях, а также в экологических целях для мониторинга атмосферы.

Известны датчики парциального давления SO₂, чувствительные элементы которых представляет собой твердотельные гальванические цепи типа Ag Ag₂SO₄ K₂SO₄ K₂SO₄ Pt [1] Ag Ag₂SO₄ Li₂SO₄ Pt [2] Pt Na₂SO₄ La₂(SO₄)₃ Al₂O₃ Pt [3] Ag Ag₂SO₄ BaSO₄ Pt [4] Данные чувствительные элементы позволяют измерять концентрации SO₂в атмосфере воздуха в диапазоне 3-10⁴ ррm.

Недостатки: высокие рабочие температуры (выше 500^оС), при температуре ниже 500^оС диапазон измеряемых концентраций резко сужается; -зависимость показаний от давления кислорода, т.е. для получения надежных данных необходимо поддерживать постоянное давление кислорода в анализируемой газовой среде; использование дорогих платиновых электродов.

Известен потенциометрический датчик проточного типа, позволяющий измерять содержание SO₂ в воздухе при более низких температурах (350^оС) чувствительный элемент которого наиболее близок к изобретению [5] Элемент состоит из таблетки твердого композиционного электролита Li₂SO₄- Al₂O₃ (состав электролита: сульфат щелочного металла 30-80 об. оксид алюминия остальное) с платиновыми электродами.

Недостатки: высокие рабочие температуры (свыше 350^оС),
влияние давления О₂ на показания элемента,
использование дорогих платиновых электродов.

Цель настоящего изобретения снижение рабочих температур чувствительного элемента и улучшение стабильности работы датчика при изменении давления кислорода в исследуемых газовых смесях.

Указанная цель достигается тем, что в чувствительном элементе типа
Ag Ag₂SO₄ Li₂SO₄ электрод II В качестве электрода II вместо платины используется электрод, изготовленный из диоксида ванадия (VO₂), в качестве электролита Li₂SO₄-Al₂O₃, и имеется промежуточный слой из Ag₂SO₄.

Способ изготовления и рабочие характеристики нового чувствительного элемента показаны на следующем примере.

Берут таблетки композита Li₂SO₄-Al₂O₃ (при соотношении компонентов 60:40 об. ) и сульфата серебра и спрессовывают их вместе. На стороны полученной двухслойной таблетки наносят разные электроды: сторону, на которой находится Ag₂SO₄, покрывают слоем серебряной пасты, а к другой стороне плотно притирают порошкообразный электрод, изготовленный из мелкодисперсного диоксида ванадия. Приготовленный таким образом элемент помещают в термостатируемый объем с контролируемыми температурой и составом газовой среды. Значения ЭДС чувствительного элемента при различных условиях приведены в таблице.

Из таблицы видно, что элемент способен работать при более низких температурах, чем прототип, и значения ЭДС нового элемента слабо зависят от давления кислорода. Это можно объяснить различием электродных потенциалообразующих реакций, протекающих на платиновом электроде
SO₂ + O₂ + 2e^- _ SO₄^2- (1) и электроде из диоксида ванадия
x SO₂ + VO₂(s) + 2x e^- _ x SO₄^2- + VO_2-2x(s), (2) где VO₂(s) поверхностный слой диоксида. Соединения ванадия обладают каталитическим действием по отношению к реакции окисления SO₂. Особенностью VO₂ является то, что он обладает металлической проводимостью (т.е. может быть использован как электродный материал) и допускает существование широкой области нестехиометрии, что и обеспечивает протекание реакции (2). Из сравнения реакции (1) и (2) видно, что на реакцию, протекающую на платиновом электроде, будет всегда влиять давление кислорода. Электродный процесс (2), наоборот, очень слабо зависит от P в газе, а определяется только давлением диоксида серы.

Кроме того, стоимость нового чувствительного элемента значительно ниже стоимости элементов [1-4] и прототипа, так как вместо драгметалла платины используется более дешевый материал.

Формула изобретения

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ SO₂ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ, включающий твердый электролит Li₂SO₄ Al₂O₃ с нанесенными на него электродом сравнения и электродом, чувствительным к SO₂, отличающийся тем, что дополнительно содержит слой сульфата серебра между твердым электролитом и электродом сравнения из металлического серебра, а в качестве материала для электрода, чувствительного к SO₂, используют диоксид ванадия.

РИСУНКИ

Рисунок 1