УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ТЕРМО-ЭДС ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к области материаловедения твердых оксидных материалов и может быть использована для измерения общей электропроводности и термо-эдс оксидных материалов в зависимости от температуры и парциального давления кислорода окружающей газовой атмосферы.
Известна установка (Киселев Е.А. Фазовые равновесия, кристаллическая, дефектная структура и электротранспортные свойства оксидов в системе La-Sr-Fe-Ni-О: дис. канд. хим. наук. - Екатеринбур, 2009, с.46-47) для измерения общей электропроводности и термо-эдс в зависимости от температуры и парциального давления кислорода, содержащая помещенную в электропечь измерительную ячейку, включающую основание с вертикально установленными и электрически изолированные друг от друга двумя токовыми проводами, двумя потенциальными проводами, двумя измерительными термопарами, к которому герметично крепится газоплотная пробирка, выполненная из кислородно-ионного твердого электролита на основе диоксида циркония, с электрохимическим кислородным насосом, последовательно включенным в цепь с амперметром и источником постоянного тока, подключенным к вольтметру датчиком парциального давления кислорода, патрубки подачи и отвода различных газов, которые расположены у основания измерительной ячейки и оборудованные с внешней стороны основания ячейки газовыми вентилями.
Недостатками установки является то, что измерения электропроводности и термо-эдс проводится на двух образцах, отсутствуют автоматическая система регулирования парциального давления кислорода с помощью электрохимического насоса и циркуляционная система для перемешивания газовой атмосферы внутри измерительной ячейки, необходимая для устранения градиента парциального давления кислорода между электрохимическим насосом, датчиком парциального давления кислорода и измеряемым образцом.
Известна установка-прототип (Киселев Е.А. Фазовые равновесия, кристаллическая, дефектная структура и электротранспортные свойства оксидов в системе La-Sr-Fe-Ni-О: дис. канд. хим. наук. - Екатеринбур, 2009, с.46-47) для измерения общей электропроводности и термо-эдс оксидных материалов в зависимости от температуры и парциального давления кислорода, содержащая помещенную в электропечь измерительную ячейку, включающую основание с вертикально установленными и электрически изолированные друг от друга двумя токовыми проводами, двумя измерительными термопарами, к которому с помощью фланцевого соединения герметично крепится газоплотная пробирка, выполненная из кислородно-ионного твердого электролита на основе диоксида циркония, с электрохимическим кислородным насосом и датчиком парциального давления кислорода, микропроцессорный контроллер, соединенный с двумя потенциальными проводами датчика парциального давления кислорода, двумя токоподводами электрохимического кислородного насоса, двумя токовыми проводами, двумя термопарами и персональным компьютером.
Недостатками установки является отсутствие циркуляции газовой атмосферы внутри ячейки, которая необходима для устранения градиента парциального давления кислорода между электрохимическим кислородным насосом, датчиком парциального давления кислорода и измеряемым образцом. Резкое изменение значений парциального давления кислорода внутри ячейки невозможно, поскольку откачка/закачка кислорода внутрь ячейки происходит исключительно за счет достаточно медленного электрохимического переноса кислорода через твердый кислородно-ионного электролит.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение выше обозначенных недостатков: возможность изменения парциального давления кислорода внутри ячейки посредствам ввода газов/газовых смесей с различным парциальным давлением кислорода и циркуляция газовой смеси внутри измерительной ячейки, необходимое для устранения градиента парциального давления кислорода между электрохимическим кислородным насосом, исследуемым образцом и датчиком парциального давления кислорода, возникающего в результате электрохимического регулирования парциального давления кислорода внутри измерительной ячейки.
Поставленная задача решается за счет того, что установка для измерения общей электропроводности и термо-эдс оксидных материалов от температуры и парциального давления кислорода, содержащая помещенную в электропечь измерительную ячейку, включающую основание с вертикально установленными и электрически изолированные друг от друга двумя токовыми проводами, двумя измерительными термопарами, к которому с помощью фланцевого соединения герметично крепится газоплотная пробирка, выполненная из кислородно-ионного твердого электролита на основе диоксида циркония, с электрохимическим кислородным насосом и датчиком парциального давления кислорода, микропроцессорный контроллер, соединенный с двумя потенциальными проводами датчика парциального давления кислорода, двумя токоподводами электрохимического кислородного насоса, двумя токовыми проводами, двумя термопарами и персональным компьютером, дополнительно снабжена системой циркуляции, подачи и отвода различных газов/газовых смесей, включающей внешний контур с циркуляционным насосом, герметично соединенный с патрубками подачи и отвода газов/газовых смесей, которые расположены у основания измерительной ячейки, оборудованные с внешней стороны основания ячейки вентилями, таким образом, что в закрытом состоянии вентилей внешний контур с циркуляционным насосом образует замкнутую герметичную систему с внутренней частью ячейки.
-20
Предлагаемая установка может осуществлять измерения общей электропроводности и термо-эдс в различных газовых атмосферах начиная от комнатной температуры до 1050°С, с одновременной регистрацией и контролем парциального давления кислорода начиная с 650°С в интервале значений от 10 атм до 1 атм. Осуществляемая циркуляция газовой атмосферы по замкнутому контуру внутри ячейки способствует устранению градиентов парциального давления кислорода между кислородным насосом, датчиком и измеряемым образцом в процессе его регулирования с помощью электрохимического кислородного насоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема установки для измерения общей электропроводности и термо-эдс оксидных материалов в зависимости от температуры и парциального давления кислорода.
Основные элементы установки включают в себя помещенную в электропечь 1 измерительную ячейку 2 с основанием 3, к которому вертикально крепятся электрически изолированные от него и друг от друга два токовых провода 4, две измерительных термопары 5, подсоединенные к исследуемому образцу 6. К основанию 3 с помощью фланцевого соединения 7 герметично прикреплена газоплотная пробирка 8, выполненная из кислородно-ионного твердого электролита на основе диоксида циркония и состоящая из двух частей: электрохимического кислородного насоса 9 с токоподводами 10 и датчика парциального давления кислорода 11 с потенциальными электродами 12, которые соединены друг с другом через герметичный слой высокотемпературного клея 13. Микропроцессорный контроллер 14 посредством внешних электрических проводников 15 соединен с двумя токовыми проводами 4, двумя измерительными термопарами 5, токоподводами 10 электрохимического кислородного насоса 9, потенциальными электродами 12 датчика парциального давления кислорода 11 и персональным компьютером 16. Внешний контур с циркуляционным насосом 17, герметично соединенный с патрубками подачи и отвода газов/газовых смесей 18, расположен в основании измерительной ячейки 2. С внешней стороны основания 3 ячейки 2 патрубки 18 оборудованы газовыми вентилями 19, а с другой стороны входят внутрь ячейки на разном уровне так, что патрубок подачи газа оканчивается газопроводной трубкой 20 посередине ячейки 2, а патрубок отвода газа расположен на уровне основания ячейки 3. Такое расположение газопроводной системы внутри измерительной ячейки способствует более эффективному перемешиванию газовой среды внутри ячейки и устранению градиентов парциального давления кислорода.
Электрическая изоляция токовых проводов 4 и термопар 5 может быть выполнена из алундовых/кварцевых трубок, выполняющих роль внешнего каркаса для измеряющих проводников внутри ячейки.
Работает устройство следующим образом.
Исследуемый образец 6 в форме прямоугольного параллелепипеда известных геометрических размеров с четырьмя прикрепленными измерительными зондами - двумя токовыми и двумя потенциальными - устанавливается вертикально в измерительную ячейку 2, крепится при помощи токовых измерительных зондов к двум токовым проводам 4 и с помощью двух потенциальных измерительных зондов - к двум измерительным термопарам 5 таким образом, что концы термопар 5 и потенциальные зонды образца находились на одном уровне и расстоянии в непосредственной близости друг относительно друга. После установки образца 6 основание ячейки 3, герметично присоединяют к газоплотной пробирке 8 посредством фланцевого соединения 7. На две трети от своей длины измерительная ячейка 2 помещается в нагреваемую зону электропечи 1. С помощью электрических проводников 15 электрохимический кислородный насос 9, датчик парциального давления кислорода 11, два токовых провода 4, две измерительные термопары 5 подсоединяются к контроллеру 14, который автоматически регулирует температуру, парциальное давление кислорода внутри ячейки 2, в импульсном режиме измеряет постоянный ток, проходящий через исследуемый образец 6, разность потенциалов между потенциальными зондами образца под током и без тока через одноименные электроды термопар 5, температуру каждого потенциального измерительного зонда с помощью термопар 5. Разность температур между потенциальными зондами поддерживалась постоянной в районе 8-15°С благодаря естественному градиенту температуры в печи. Все измеряемые, регулируемые параметры отображаются на экране персонального компьютера 16 в режиме реального времени, сохраняются в виде электронного журнала измерений. Внешний контур с циркуляционным насосом 17 обеспечивает выравнивание градиента парциального давления кислорода внутри измерительной ячейки в режиме регулирования парциального давления кислорода с помощью электрохимического кислородного насоса при закрытых газовых вентилях 19. Для быстрого изменения парциального давления кислорода внутри измерительной ячейки 2 возможна промывка и заполнение ячейки различными газами или газовыми смесями, которое осуществляется в ручном режиме с помощью вентилей 19.