Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода и способ его изготовления (патент РФ № 2298176)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Твердоэлектролитный датчик концентрации кислорода, содержащий керамический чувствительный элемент, герметично размещенный в корпусе, электрод сравнения и центральный электрод, размещенные в полости керамического чувствительного элемента, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен целиком из твердого электролита в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, наружная цилиндрическая поверхность керамического чувствительного элемента соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала, датчик дополнительно снабжен пробкой из оксида металла, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, электрод сравнения расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, и занимает по меньшей мере ее часть, обращенный в сторону части сферы свободный конец центрального электрода выведен в объем электрода сравнения через отверстие в пробке, при этом обеспечен электрический контакт между электродом сравнения и нижней частью центрального электрода, по меньшей мере часть сферы керамического чувствительного элемента выступает за пределы корпуса, материалы корпуса, керамического чувствительного элемента и соединительного материала имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, являются химически стойкими по отношению к рабочей среде, к свободной части корпуса приварена втулка, из полости которой выступает верхняя часть центрального электрода, кольцевая полость между втулкой и верхней частью центрального электрода заполнена диэлектрическим материалом, обеспечивающим герметичность внутренней полости датчика.

Известен электрохимический потенциометрический твердоэлектролитный датчик измерения концентрации водорода в газовых и жидких средах (патент RU 2120624, опубл. 20.10.1998 г.) [1]. В корпусе известного датчика установлен керамический электрический изолятор, закрытый в нижней части пробкой из твердого электролита, токоотводы, эталонный и платиновый электроды. Со стороны пробки из твердого электролита в корпусе последовательно установлены таблетка из пористой электроизоляционной керамики и гофрированная селективная мембрана. Керамический изолятор выполнен на основе коррозионно-стойкой к парам воды и непроницаемой водородом керамики из смеси оксидов ВеО (52-70% мас.), MgO (30-45% мас.), СаО (0,005-3% мас.) и пробки из монокристалла, стабилизированного ZrO2 или HfO2. Нагрев датчика до рабочей температуры (500°C и выше) осуществляется за счет нагревательного элемента.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что соединительный материал представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO 2) 20-30 мас.%, оксида алюминия (Al2 O3) 6-7 мас.%, оксида бора (В 2О3) 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO 2) 5-6 мас.%, оксида олова (SnO2) 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) 15-21 мас.%, оксида натрия (Na 2O) 3-4 мас.%, оксида калия (К2О) 3-4 мас.%.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что соединительный материал представляет собой прессованное углеграфитовое волокно.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического материала использован ситалл.

То, что использование электродов из пористых материалов способствует увеличению скорости диффузии газа через слой электродного материала к поверхности твердого электролита и что из внутренней полости датчика одновременно идет откачка двух газов, способствует повышению быстродействия датчика. Применение электродов из некаталитических материалов снижает вероятность взаимодействия водорода и кислорода на поверхности электродов с образованием воды, что повышает точность анализа.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в возможности одновременного измерения концентрации водорода и кислорода в газовой смеси, а также в упрощении конструкции датчика и повышении его быстродействия.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из частично стабилизированного диоксида циркония.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из полностью стабилизированного диоксида циркония.

7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент выполнен из оксида гафния.

8. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что материал керамического чувствительного элемента содержит в своем составе наноструктурированный ультрадисперсный керамический материал.

9. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрод сравнения выполнен из висмута.

10. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрод сравнения выполнен из свинца.

11. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрод сравнения выполнен из индия.

12. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрод сравнения выполнен из галлия.

13. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть центрального электрода, расположенная во внутренней полости корпуса, помещена в изолятор.

14. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что пробка изготовлена из наноструктурированного ультрадисперсного керамического материала.

15. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2).

16. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭП-823 (16Х12МВСФБР).

17. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть центрального электрода изготовлена из стали 12Х18Н10Т.

18. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть центрального электрода изготовлена из молибдена.

19. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что нижняя часть центрального электрода изготовлена из углеграфитовой нити.

20. Способ изготовления твердоэлектролитного датчика концентрации кислорода, включающий изготовление керамического чувствительного элемента, герметичное соединение его с корпусом, помещение внутрь керамического чувствительного элемента электрода сравнения, нижней части центрального электрода и приваривание втулки, отличающийся тем, что для соединения керамического чувствительного элемента с корпусом используют ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) 20-30 мас.%, оксида алюминия (Al 2O3) 6-7 мас.%, оксида бора (В 2O3) 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO 2) 5-6 мас.%, оксида олова (SnO2) 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) 15-21 мас.%, оксида натрия (Na 2O) 3-4 мас.% и оксида калия (К2О) 3-4 мас.%, ситалл в виде порошка засыпают в кольцевой зазор между керамическим чувствительным элементом и корпусом, сборку из керамического чувствительного элемента, корпуса и порошкообразного ситалла устанавливают в печь, в которой в качестве газовой среды используют воздух, и разогревают до температуры 900-930°С, после чего сборку охлаждают в печи, затем извлекают и во внутреннюю полость керамического чувствительного элемента засыпают электрод сравнения, устанавливают пробку из оксида металла и нижнюю часть центрального электрода в керамической изоляции, через втулку пропускают верхнюю часть центрального электрода и выводят его свободные концы за пределы габаритов втулки, кольцевой зазор между наружной поверхностью верхней части центрального электрода и внутренней поверхностью втулки заполняют диэлектрическим материалом, узел, состоящий из верхней части центрального электрода, диэлектрического материала, металлической втулки, устанавливают в печь, в которой в качестве газовой среды использован воздух, узел разогревают до температуры 900-930°С, производят выдержку узла в печи до обеспечения его равномерного прогревания и плавления ситалла, обеспечивают механическую прочность и вакуумную плотность соединения диэлектрического материала с верхней частью центрального электрода и втулкой, затем узел охлаждают вместе с печью, извлекают из печи и осуществляют электрический контакт свободных концов нижней части центрального электрода с верхней частью центрального электрода, к корпусу приваривают втулку.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент изготавливают шликерным литьем.

22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что керамический чувствительный элемент изготавливают прессованием.