ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
THERMOCHEMICAL SENSOR

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано в газоанализаторах для определения концентрации водородсодержащих горючих газов в окружающей среде.
Известен термохимический газоанализатор (патент RU №2119663), содержащий рабочий (чувствительный) элемент в виде спирали, запеченной внутри пористого носителя, обработанного катализатором и установленного в держателе, в качестве держателя используется диэлектрическая подложка с размещенным на ней пленочным нагревателем, выполняющим функцию компенсации изменений температуры окружающей среды. Недостатком данного технического решения является малый диапазон измерения концентрации горючих газов, максимальное значение диапазона не превышает 10 об.%. При увеличении процентного содержания горючего газа в окружающей среде проявляется нестабильность выходных характеристик.
Наиболее близким аналогом является конструкция термохимического датчика (а.с. SU №1767405), содержащего измерительную схему из резисторов, покрытого катализатором рабочего и каталитически неактивного сравнительного чувствительных элемента, выполненных из нагревательной спирали, которая запечена внутри пористого носителя. Рабочий элемент покрыт катализатором, состоящим из оксидов кобальта и алюминия, сравнительный элемент покрыт каталитически неактивным составом из оксидов кобальта, меди и хрома. Такой состав позволяет улучшить избирательность датчика по отношению к водороду в присутствии других горючих газов. К недостаткам этой конструкции можно отнести малый диапазон измерения концентрации водорода: термохимический датчик не определяет процент содержания газа, превышающий 10 об.%; а также неспособность реагировать на присутствие водорода в бескислородной среде с небольшим процентным содержанием других горючих газов.
Целью изобретения является расширение диапазона измерения концентрации водородсодержащих горючих газов до 100 об.%.
0,9
2
3
0,1
2
3
0,6
0,4
2
Поставленная цель достигается тем, что термохимический датчик содержит измерительную схему из рабочего и сравнительного элемента, каждый из которых выполнен в виде резистора постоянного сопротивления, изготовленного в виде нагревательной спирали, запеченной внутри пористого носителя, в рабочем элементе которого пористый носитель покрыт каталитически активным слоем, а в сравнительном элементе пористый носитель покрыт каталитически неактивным слоем, в рабочем элементе между пористым носителем и каталитически активным слоем находится промежуточный слой состава BaO(CeO)(NdO), а в качестве материала каталитически активного слоя используется состав (LaO)(SrO)MnO.
2
Особенностью термохимического датчика является то, что материал промежуточного слоя обладает протонной проводимостью, а материал каталитически активного слоя является катализатором двух типов реакций: реакции разложения водородсодержащего горючего газа на составляющие его элементы, в том числе и на ионы H (протоны), и реакции окисления элементов горючего газа. Ионы водорода диффундируют в промежуточный слой, повышая его проводимость.
Конструкция термохимического датчика представлена на фиг.1. На установочную платформу 1 с закрепленной на ней разделительной перегородкой из слюды 2 крепятся рабочий 3 и сравнительный 4 элементы. Элементы крепятся к проволочным выводам 5, вмонтированным в установочную платформу. Защитный колпачок 6 из пористого материала защищает датчик от механических повреждений извне, не препятствуя прохождению горючих газов.
2
3
0,9
2
3
0,1
2
3
0,6
0,4
2
2
3
2
Рабочий 3 и сравнительный 4 элементы содержат платиновые спирали 7. Спираль каждого элемента запечена внутри пористого носителя 8 из оксида алюминия AlO. Промежуточный слой 9 рабочего элемента состава BaO(CeO)(NdO) нанесен на пористый носитель. Данный состав промежуточного слоя является оптимальным с точки зрения протонной (ионной) проводимости, которая достигает 10 mSm/cm (600°C) и 20 mSm/cm (800°C) (F.Chen, O.T.Sorensen, G.Meng, D.Peng. Preparation of Nd-doped barium cerate through different routes. Solid State Ionics v.100, 1997, p.63-72). Промежуточный слой покрыт каталитически активным слоем 10 состава (LaO)(SrO)MnO.Сравнительный элемент датчика поверх пористого носителя 8 из оксида алюминия AlO покрыт каталитически неактивным составом - оксидом кремния SiO. Промежуточный слой наносится из растворов азотнокислых солей бария, церия и неодима с последующим отжигом. Слой катализатора приготавливают из растворов азотнокислых солей лантана, стронция и марганца, наносят на рабочий элемент поверх промежуточного слоя с последующим отжигом.
Датчик работает следующим образом. На выводы, соединенные с платиновой спиралью, подается рабочее напряжение, температура элемента достигает рабочей Тр (300-500°C). При наличии в окружающей среде регистрируемого газа на рабочем элементе происходит сначала реакция разложения водородсодержащего газа на образующие его элементы, включая ионы водорода, часть которых проникает в промежуточный слой, повышая его протонную проводимость, и затем идет реакция окисления элементов горючего газа с выделением тепла. После повышения температуры увеличивается сопротивление платиновой спирали, а сопротивление промежуточного слоя уменьшается.
Изменение напряжения на чувствительном элементе в зависимости от концентрации регистрируемого газа фиксируется схемой обработки сигнала. Выходной сигнал термохимического датчика является суммой двух сигналов: сигнала, обусловленного уменьшением сопротивления рабочего элемента за счет увеличения протонной проводимости промежуточного слоя, и сигнала, обусловленного увеличением сопротивления рабочего элемента за счет увеличения сопротивления платиновой спирали из-за повышения температуры вследствие окисления элементов горючего газа. Во всем диапазоне измерения концентрации водородсодержащего горючего газа от 0 до 100 об.% данные механизмы обеспечивают понижение сопротивления рабочего элемента. Включение датчика в мостовую схему обеспечивает независимость выходного сигнала датчика от температуры окружающей среды.
В таблицах 1-3 представлены зависимости выходного сигнала датчика от концентрации водородосодержащего газа (метан, водород, пропан) в диапазоне от 0 до 100 об.%
Таблица 1
Чувствительность к метану (CH<sub>4</sub>)
Концентрация анализируемого газа, об.%
0
0,5
1
1,5
2
3
5
10
20
40
60
80
100
Выходной сигнал датчика, мВ
0
8
12
17
21
28
37
51
71
129
182
224
277
Таблица 2
Чувствительность к водороду (Н<sub>2</sub>)
Концентрация анализируемого газа, об.%
0
0,5
1
1,5
2
3
5
10
20
40
60
80
100
Выходной сигнал датчика, мВ
0
11
15
21
24
30
39
58
79
142
192
238
296
Таблица 3
Чувствительность к пропану (С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>)
Концентрация анализируемого газа, об.%
0
0,5
1
1,5
2
3
5
10
20
40
60
80
100
Выходной сигнал датчика, мВ
0
6
10
13
18
24
31
44
65
109
163
213
259
Преимуществом заявляемой конструкции можно назвать простоту изготовления датчика, способность определения концентрации водородсодержащих горючих газов в бескислородной среде.