ДАТЧИК ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в качестве датчика для измерения парциального давления кислорода в воздухе, используемом для дыхания, как при повышенном, так и при пониженном давлении по отношению к нормальному атмосферному давлению.
Известен датчик для измерения содержания кислорода в газовой смеси, применяемый в газоанализаторе «Флюорит-Ц», выпускаемый предприятием ООО «Ангарское-ОКБА» (газоанализатор «Флюорит-Ц». Руководство по эксплуатации 5К1.552.045).
Датчик включает корпус, в котором расположены нагреватель и чувствительный элемент в виде твердоэлектролитной пробирки. Твердоэлектролитная пробирка установлена в нагревателе, в рабочей зоне которого поддерживается температура с точностью ±2°С. Твердым электролитом является диоксид циркония, стабилизированный 15% оксида иттрия. На внутреннем торце пробирки нанесен пористый платиновый электрод, к которому подается анализируемый газ. На наружном торце пробирки также нанесен пористый платиновый электрод, называемый сравнительным электродом, который за счет температурной конвекции омывается атмосферным воздухом, содержание кислорода в котором достаточно постоянно.
Анализируемый газ поступает внутрь твердоэлектролитной пробирки, а затем сбрасывается в атмосферу. К электродам подключен измеритель ЭДС. По ЭДС судят о концентрации кислорода в анализируемом газе.
Основным недостатком этого датчика с точки зрения измерения парциального давления кислорода является необходимость измерения давления анализируемого газа и атмосферного давления, что существенно усложняет электрическую схему датчика.
Наиболее близким по технической сущности является датчик парциального давления кислорода (А.с. СССР №1784907 G 01 №27/417, Бюл. №48, 1992 г.). Датчик содержит твердоэлектролитный чувствительный элемент с рабочим и сравнительным электродами, к которым подключен измеритель ЭДС и через переключатель-источник постоянного тока.
К рабочему электроду подается анализируемый газ. Сравнительный электрод расположен в герметичной сравнительной камере. Перед тем, как приступить к измерениям парциального давления кислорода, в сравнительной камере создается сравнительная среда с определенным известным парциальным давлением кислорода. Для этого к электродам с помощью переключателя подсоединяют источник постоянного тока в полярности «плюс» - к рабочему электроду и устанавливают напряжение в пределах 0,5-1,2 В. Под действием этого напряжения происходит извлечение кислорода из сравнительной камеры. О практически полном извлечении кислорода судят по резкому падению тока и о его близости к нулю. После этого изменяют полярность приложенного к электродам напряжения и пропускают определенное количество электричества, благодаря чему в сравнительной камере устанавливается заданное парциальное давление кислорода. Затем к электродам подключают измеритель ЭДС. По измеренному значению ЭДС судят о парциальном давлении кислорода в анализируемом газе.
Рассмотренный датчик имеет два существенных недостатка. Во-первых, велико время выхода на рабочий режим, которое включает прогрев датчика до достаточно высокой температуры, примерно 650°С, и, кроме того, откачку и дозирование кислорода. Второй недостаток - малое время непрерывной работы датчика (не более 10 часов даже при относительной погрешности измерений, равной 10%), что связано с натеканием кислорода в сравнительную камеру из-за неотъемлемого свойства твердого электролита - так называемой «электролитической» проницаемости.
Сущность полезной модели заключается в исключении указанных недостатков.
На фигуре приведен чертеж предлагаемого датчика. Чувствительный элемент 4 датчика состоит из двух пластинок 5 и 6 из твердого электролита, склеенных диэлектрическим клеем 8. На пластинки с обеих сторон нанесены электроды 7, 10 и 11 из пористой платины, причем электроды 7 электрически контактируют между собой. К электродам 7, 10 и 11 подсоединены соответственно токоотводы 13, 12 и 14, изготовленные из платиновой проволоки и жестко закрепленные на дисках 1 и 18 с помощью диэлектрического клея. К электродам 7 и 10 подсоединен реверсивный источник стабилизированного тока 15, а к электродам 7 и 11 - измеритель ЭДС, по сигналу, от
которого изменяется полярность источника тока 15. Нагрев датчика осуществляется с помощью нагревательной проволоки 9, закрепленной платиновыми штырьками 19. Штырьки 19, в свою очередь закреплены диэлектрическим клеем на дисках 1 и 18. Для придания жесткости конструкции диски 1 и 18 соединены стойками 2 из твердоэлектролитного материала, закрепленными диэлектрическим клеем. Для герметизации чувствительного элемента используется обечайка 20, являющаяся одновременно теплоизолирующим экраном. Анализируемый газ поступает через штуцер 3, омывает чувствительный элемент 4 и выходит через штуцер 17.
Рассмотрим физическую сущность процессов, протекающих в чувствительном элементе 4 в процессе измерений. В чувствительном элементе используются два свойства твердоэлектролитных ячеек, которые позволяют применять их в аналитической практике. Первое свойство таково. Если по разные стороны твердого электролита находятся газовые смеси с различными парциальными давлениями кислорода, то на его электродах возникает ЭДС, связанная с парциальными давлениями кислорода формулой Нернста:
где Е - ЭДС;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура рабочей зоны (электродов);
n=4 - число зарядов в ионизированной молекуле кислорода;
F - число Фарадея;
и  - парциальные давления кислорода.
Второе свойство заключается в следующем. Если через твердый электролит протекает электрический ток, то в его переносе участвуют практически только ионы кислорода, причем количество перенесенного кислорода рассчитывается в соответствии с законом Фарадея.
В процессе измерений с помощью предлагаемого датчика через электроды 7 и 10 протекает постоянный по значению, но с изменяющейся
полярностью ток, который переносит кислород, причем в полярности «плюс» на электродах 7 кислород поступает в камеру, в которой расположены электроды 7, а в противоположной полярности кислород извлекается из этой камеры. Ток устанавливается в пределах от 50 до 300 мкА. Переключение полярности тока осуществляется при достижении ЭДС на электродах некоторых значений. Откачка кислорода начинается при постоянном значении ЭДС в пределах от 40 до 50 мВ, а дозирование кислорода - при постоянном значении ЭДС в пределах от 70 до 80 мВ. Аналитическим сигналом датчика является суммарное время дозирования и откачки кислорода в течение одного периода, которое возрастает с увеличением парциального давления кислорода в анализируемом газе. Экспериментальная проверка показала, что между парциальным давлением кислорода в анализируемом газе и временем дозирования и откачки кислорода существует линейная зависимость, то есть статическая характеристика датчика имеет вид:
где Р - парциальное давление кислорода в анализируемом газе;
k - коэффициент пропорциональности;
Проведенные испытания предлагаемого датчика показали, что он имеет следующие основные метрологические характеристики:
- t - суммарное время дозирования и откачки кислорода в течение одного периода.
- диапазон измерений парциального давления кислорода от 5 до 300 кПа;
- основная относительная погрешность измерений не более 5%;
- время установления показаний не более 5 с.;
- время прогрева не более 100 с.
По точности измерений датчик существенно превосходит аналоги. Кроме того, время прогрева датчика в три раза меньше, чем у аналога, а время его непрерывной работы практически неограниченно. У датчика также значительно меньше масса и габаритные размеры.