Термокаталитический сенсор для обнаружения углеводородов

Полезная модель относится к области 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 на различных объектах.
Из уровня техники известна конструкция термокаталитического сенсорного модуля для обнаружения водорода (RU 167397, опубл. 10.01.2017, 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 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 чувствительность к углеводородам и их производным и недостаточное быстродействие.
Недостаточная чувствительность к углеводородам и их производным обусловлена тем, что поверхность измерительного элемента активирована только палладиевым катализатором. При этом палладиевый катализатор более активен в окислении метана, а в окислении остальных углеводородов более активным является платиновый катализатор.
Недостаточное быстродействие обусловлено тем, что керамическая поверхность состоит из гамма-оксида алюминия. При этом гамма-оксид алюминия, в отличие от Диоксида циркония, не является промотором катализатора.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является увеличение чувствительности термокаталитического сенсора к углеводородам и их производным, а также повышение быстродействия.
2
2
Технический результат достигается тем, что в термокаталитическом сенсоре для обнаружения углеводородов, содержащем измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие, состоящее из Диоксида циркония (ZrO), имеющее шарообразную форму. Поверхность керамического покрытия из Диоксида циркония (ZrO) компенсационного элемента пассивирована метасиликатом натрия, а поверхность керамического покрытия из Диоксида циркония (ZrO2) измерительного элемента активирована платино-палладиевым катализатором.
Использование платино-палладиевого катализатора применительно к углеводородам и их производным обусловлено тем, что катализаторы на основе драгоценных металлов, а именно платины и палладия, проявляют высокую активность и устойчивость к сере и высоким температурам.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами.
На фиг.1 показана схема термокаталитического сенсора;
На фиг.2 показаны чувствительные элементы и спиралевидная основа чувствительных элементов;
На фиг. 3 показана зависимость чувствительности к углеводородам от состава катализатора;
На фиг. 4 показана зависимость скорости реакции от состава керамического покрытия;
На фиг. 5 показана зависимость скорости реакции от состава катализатора.
Термокаталитический сенсор содержит измерительный 1 и компенсационный 2 чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей 3 из платиновой проволоки, на которые нанесено керамическое покрытие 4, при этом поверхность покрытия выполнена шарообразной формы, поверхность керамического покрытия 4 компенсационного элемента 2 пассивирована метасиликатом натрия 5, а поверхность керамического покрытия 4 измерительного элемента 1 активирована платино-палладиевым катализатором 6, при этом керамическое покрытие 4 выполнено из Диоксида циркония.
Керамическое покрытие 4 нанесено на спираль 3 капельным методом. Это позволяет добиться шарообразной формы поверхности чувствительных элементов. Шарообразная форма поверхности обеспечивает равномерное распределение температур по объему измерительного 1 и компенсационного 2 элементов.
Экспериментальным путём установлено, что использование в качестве носителя катализатора ZrO2, позволяет добиться большей скорости срабатывания сенсора.
На фиг. 5 представлены результаты измерения скорости срабатывания сенсоров, чувствительные элементы которых выполнены из ZrO2 и Al2O3.
2
На поверхность нагретого ZrO, наносится платино-палладиевый катализатор, это позволяет получить высокоактивный катализатор с длительным ресурсом работы.
Применение керамического покрытия ZrO2 и катализатора PtCl4+PdCl2 (см. соотношение чувствительностей на фиг. 4) способствует существенному повышению стабильности выходного сигнала. Это подтверждено проведенными испытаниями термокаталитических сенсоров в течение более полугода непрерывной работы.
Технология изготовления платино-палладиевого катализатора позволяет получать сенсоры с улучшенными параметрами - быстродействием, чувствительностью и долговременной стабильностью.
Экспериментально установлено, что наличие в составе катализатора PtCl4 позволяет в несколько раз (2-10  раза в случае обнаружения углеводородов после пропана) увеличить чувствительность сенсора по сравнению с сенсором, катализатор которого содержит только PdCl2 (см. соотношение чувствительностей на фиг. 3).
Работает термокаталитический сенсор следующим образом. Углеводороды, продиффундировавшие через поры газопроницаемого элемента 7, поступает на каталитически активный измерительный элемент 1 и окисляется на нем. Продукты реакции (пары воды) диффундируют через поры газопроницаемого элемента, наружу. Тепло, выделившееся при реакции окисления, 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 их чувствительности к углеводородам, а также увеличение быстродействия в определении концентраций углеводородов.