Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов и водородов

Полезная модель относится к области разработки газочувствительных элементов, применяемых в составе датчиков, течеискателей, газосигнализаторов, газоанализаторов, а также других приборов и систем газового анализа, может быть использована для обнаружения довзрывоопасных концентраций газообразных углеводородов и водорода на различных объектах.
Известен термокаталитический сенсорный модуль для обнаружения водорода (RU 167397, опубл. 10.01.2017, МПК G01N 27/16), принятый за прототип, представляющий собой термокаталитический сенсор, содержащий измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие из гамма-оксида алюминия, имеющее шарообразную форму, при этом поверхность гамма-оксида алюминия измерительного элемента активирована палладиевым катализатором, а поверхность гамма-оксида алюминия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия.
Недостатком данного сенсорного модуля является низкая устойчивость к воздействию высоких концентраций углеводородов и водорода и низкая механическая прочность.
Низкая устойчивость к воздействию высоких концентраций углеводородов и водорода обусловлена тем, что керамическая поверхность состоит из гамма-оксида алюминия. При воздействии высоких концентраций углеводородов и водорода, температура сенсора повышается, что приводит к обрыву чувствительного элемента из-за перегорания проволоки. Гамма-оксид алюминия, в отличие от диоксида циркония, имеет более высокую теплопроводность.
Низкая механическая прочность обусловлена тем, что гамма-оксид алюминия имеет меньшую трещиностойкость по отношению к диоксиду циркония.
Из уровня техники известна конструкция термокаталитического сенсора для обнаружения углеводородов (RU 201867, опубл. 18.01.2021, МПК G01N 27/16), принятого за прототип, представляющего собой термокаталитический сенсор, содержащий измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие, имеющее шарообразную форму, поверхность керамического покрытия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия, при этом, поверхность керамического покрытия измерительного элемента активирована платино-палладиевым катализатором, а керамическое покрытие выполнено из диоксида циркония.
2
6
19
2
Недостатком данного термокаталитического сенсора является низкая устойчивость к воздействию каталитических ядов, таких как сероводород (HS), гексаметилдисилазан (CHNSi).
Низкая устойчивость к воздействию каталитических ядов обусловлена тем, что платино-палладиевый катализатор находится на поверхности измерительного чувствительного элемента в виде тонкого слоя. При воздействии каталитических ядов катализатор деактивируется, что ведет к необратимому снижению чувствительности.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является увеличение устойчивости к воздействию высоких концентраций углеводородов и водорода, механической прочности и устойчивости к каталитическим ядам.
Технический результат достигается тем, что в термокаталитическом сенсоре для обнаружения углеводородов и водорода, содержащем измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие, выполненное из диоксида циркония и имеющее шарообразную форму, поверхность керамического покрытия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия, а измерительный чувствительный элемент активирован платино-палладиевым катализатором. В состав керамического покрытия добавлен алюминий азотнокислый, а также платино-палладиевый катализатор включен в состав керамического покрытия измерительного элемента в трехкратном размере.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами.
На фиг.1 показана схема термокаталитического сенсора.
На фиг.2 показаны чувствительные элементы.
На фиг. 3 показано соотношение устойчивости к высоким концентрация углеводорода и водорода.
На фиг. 4 - соотношение устойчивости к каталитическим ядам.
На фиг. 5 показаны результаты измерения механической прочности чувствительных элементов.
Термокаталитический сенсор для определения углеводородов и водорода содержит измерительный 1 и компенсационный 2 чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей 3 из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие 4, выполненное из диоксида циркония и имеющее шарообразную форму, поверхность керамического покрытия компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия 5, а измерительный чувствительный элемент активирован платино-палладиевым катализатором 6, при этом в состав керамического покрытия 4 добавлен алюминий азотнокислый 7, а также платино-палладиевый катализатор 6 включен в состав керамического покрытия 4 измерительного элемента 1 в трехкратном размере.
2
3
3
Экспериментальным путём установлено, что использование в качестве керамического покрытия ZrO и добавлении в него Al(NO), позволяет добиться большей механической прочности сенсора.
2
2
3
На фиг. 5 представлены результаты измерения механической прочности сенсоров, чувствительные элементы которых выполнены из ZrO и AlO.
2
2
3
4
2
-1
В состав керамического покрытия ZrO+AlO, наносимого на измерительный чувствительный элемент, добавлен катализатор PtCl+PdCl в количестве, равном 3000 млн. Катализатор составляет 0,3% от общего объема керамического покрытия. 3000 ppm – это количество катализатора, которое должно быть в зависимости от объема керамической основы.
4
2
2
-1
Добавление катализатора PtCl+PdCl в трехкратном количестве, равном 3000 млн, в состав керамического покрытия ZrO способствует существенному увеличению устойчивости сенсора к каталитическим ядам (см. соотношение устойчивости к каталитическим ядам фиг.4). Это подтверждено проведенными испытаниями термокаталитических сенсоров.
2
2
3
Экспериментально установлено, что сенсор, чувствительные элементы которого выполнены из ZrO, позволяет увеличить устойчивость сенсора к воздействию высоких концентраций углеводородов и водорода по сравнению с сенсором, керамическое покрытие которого состоит из AlO (см. соотношение устойчивости к высоким концентрация углеводорода и водорода на фиг. 3).
Работает термокаталитический сенсор следующим образом. Углеводороды или водород, проникают через фильтр 8, поступают в газовую камеру 9, окисляются на каталитически активном измерительном элементе 1. Во время реакции окисления, выделяется тепло, что приводит к изменению сопротивления каталитически активного элемента 1 и датчик с помощью моста Уитстона преобразует изменение температуры в сигнал, который прямо пропорционален концентрации газа.
Таким образом, использование заявляемой полезной модели в устройствах, применяемых для обеспечения газовой безопасности, обеспечивает повышение устойчивости к воздействию высоких концентраций углеводородов и водорода, повышение механической прочности чувствительных элементов, а также увеличение устойчивости к воздействию каталитических ядов.