Ученые Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН создали комбинированный электрохимический амперометрически-потенциометрический датчик кислорода, отличающийся от существующих датчиков необычным конструкционным решением и повышенной надежностью. Статью с описанием разработки ученые опубликовали в высокорейтинговом журнале Sensors and Actuators.
Датчики кислорода применяются для определения концентрации О2 в выхлопных газах автомобилей, в отработанных топочных газах на котлоагрегатах, в металлургических процессах. По концентрации кислорода можно судить о соотношении топлива и воздуха, подаваемых в двигатели автомобилей и котлоагрегаты, о содержании кислорода в отработанных газах, о составе атмосферы при проведении технологических процессов в металлургии, цементной промышленности и так далее.
Датчик, созданный сотрудниками УрФУ и ИВТЭ, представляет собой миниатюрную конструкцию размером 1,7 на 0,7 см толщиной 1,5 мм, которая состоит из двух склеенных друг с другом пластинок — электролитов на основе диоксида циркония 0.91ZrO2 + 0.09 Y2O3, наиболее надежного из известных твердых электролитов. На пластинки с внешней и внутренней стороны нанесены электроды с прикрепленными к ним токоподводами. Между пластинками — полость, в которую снаружи вставлен капилляр — тонкая трубка из нержавеющей стали диаметром 0,15 мм.
«Одна пластинка служит для того, чтобы, прикладывая к ней напряжение, откачивать из полости через электролит кислород в виде ионов. Другими словами, эта пластинка функционирует в качестве амперометрического сенсора. При определенном токе откачки внутри полости содержание кислорода достигает минимальных значений, следовательно, дальше ток расти не может, мы выходим на так называемый предельный ток. Чем меньше концентрация кислорода — тем ниже предельный ток. Таким образом, по предельному току, который замеряется амперметром, можно определять концентрацию кислорода в кислородсодержащей атмосфере, будь то воздух, смеси кислорода с азотом, инертными газами и так далее», — объясняет соавтор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории материалов и устройств для экологически чистой энергетики УрФУ, заведующий Лабораторией электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН Анатолий Демин.
Вторая пластинка выполняет функцию потенциометрического датчика. Она позволяет установить измеряемую вольтметром разность потенциалов электродов, один из которых находится внутри полости, а другой — в исследуемой атмосфере. Наличие в конструкции второй пластинки, потенциометрического датчика, является сутью инновации.
«Предельный ток определяется, прежде всего, концентрацией кислорода, но в то же время зависит от состояния и параметров капилляра. Внутрь его могут попадать различные частички, которые изменяют внутренний диаметр канала. Канал засоряется — предельный ток становится меньше. Таким образом, попадание частиц в диффузионный канал ведет к искажению показаний датчика, истинная концентрация кислорода в измеряемой среде становится неопределенной, — разъясняет Анатолий Демин. — Чтобы этого не происходило, мы и добавили к обычному амперометрическому датчику вторую пластинку, которая служит потенциометрическим датчиком. Ее использование обеспечивает более надежную работу прибора».
При концентрации кислорода меньше 20% предельный ток пропорционален концентрации. Например, если в результате калибровки прибора известно, что при 20% концентрации кислорода сила предельного тока составляет 10 миллиампер, то предельный ток силой 5 миллиампер говорит о 10-процентном содержании кислорода. Однако при более высокой концентрации кислорода предельный ток растет в большей степени, чем растет концентрация, поэтому перед использованием датчик калибруют: строят зависимость концентрации кислорода от предельного тока. И здесь наличие в конструкции потенциометрического датчика имеет значение.
«Мы получаем картину, когда от концентрации кислорода в анализируемой среде зависит не только предельный ток, как это происходит с амперометрическими сенсорами, но и разность потенциалов электродов потенциметрического сенсора. Строим вторую калибровочную кривую, которая связывает предельный ток и показания потенциометрического сенсора. Если при проведении измерений показания двух калибровочных кривых совпадают, значит, изменений в диффузионном канале не происходит. Если же показания по предельному току и по потенциометрическому сенсору отличаются от калибровочных кривых, это говорит о том, что сенсор стал работать неправильно и его показаниям доверять нельзя», — рассказывает Анатолий Демин.
Под воздействием высокой температуры в пластинках могут образоваться трещины, в герметике, которым их герметизируют, могут появиться течи. Тогда кислород станет проникать в полость датчика не только через капилляр, но и через течи. И показания амперометрического и потенциометрического сенсоров начнут отличаться от калибровочных кривых. Это также будет означать, что сенсор перестал работать нормально и требуется его замена.
Благодаря уникальным свойствам датчик, созданный учеными УрФУ и ИВТЭ УрО РАН, обеспечивает быстрый и точный отклик на газовые смеси, содержащие кислород в диапазоне концентраций от минимальных до почти 90% (0,8–88%) и при значениях рабочей температуры между 400 и 700 оС.
«В предлагаемой нами конструкции измерения проводить удобно: мы пропускаем ток через одну пластинку, меряем напряжение на другой пластинке и по сопоставлению этих двух данных судим о концентрации кислорода в анализируемой среде», — резюмирует Анатолий Демин.