Cуперионный дозатор кислорода | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №10 (45) октябрь 2012 г.

Статья просмотрена: 84 раза

Библиографическое описание:

Рахимбеков А. Ж. Cуперионный дозатор кислорода // Молодой ученый. — 2012. — №10. — С. 61-63. — URL https://moluch.ru/archive/45/5422/ (дата обращения: 26.09.2018).

Современная техника физического эксперимента, а также технология полупроводниковых и других материалов заинтересованы в развитии методов дозирования кислорода [1] .

В этом отношении перспективны материалы на основе оксидов IV В – примесные твердые оксидные ионные проводники (ТОИП), называемые также высокотемпературными или твердыми оксидными электролитами. Они отличаются исключительно кислородноионным переносом в широком диапазоне температур Т, и парциальных давлений кислорода Р. Высокотемпературную кубическую с решеткой флюорита модификацию диоксида циркония ZrO2 стабилизируют во всем диапазоне температур добавлением катионов меньшей валентности. Недостаток заряда компенсируется активными вакансиями, по ним осуществляется перенос анионов кислорода О-2.

Твердый раствор ZrO2 +12 мол. % CaO при Т = 10000С имеет удельную электропроводность σ =5,5 10-2 (Ом см)-1 и сохраняет ионную долю электропроводности tu ≥0,99 вплоть до парциального давления кислорода P = 10-20 атм. При меньших давлений Р, часть кислорода покидает решетку, заряд компенсируется электронами, растет электронная составляющая проводимости, материал электролита деградирует «восстанавливается» [2].

На электродах перегородки из такого материала, разделяющий объемы с Р' > Рх, существует электродвижущая сила (ЭДС) Е:

E=ln (1)

(здесь R- универсальная газовая постоянная, F – число Фарадея, Т-температура окружающей среды, -парциальное давление кислорода в окружающей атмосфере равное 0.21*105 Па, Рх –искомое давление кислорода). Это явление используют в топливных элементах, термодинамических исследованиях, газовом анализе.

Развитие получил кислородный насос (КН) – устройство дозирования кислорода в газовом потоке (рис.1). Пропуская через такую перегородку ток от внешнего источника, дозируют кислород в одном из объемов. В этом состоит принцип кислородного насоса. В случае дозирования кислорода в газовом потоке перегородкой служит стенка трубки, которая с одной парой электродов образует качающую КС, с другой – измерительную секцию (КС и ИС). По трубке со скоростью пропускают инертный газ с концентрацией кислорода PI. Значение Р на выходе кислородного насоса (КН) зависит от величины тока I в цепи КС:

I=ln (2)

где r – сопротивление перегородки или стенки трубки кислородного насоса.

Рис.1

Определяют Ро по величине Е, измеряемой на электродах измерительной секции ИС:

(3)

(здесь Р1 – концентрация, или парциальное давление кислорода вне трубки равное 0.21*105Па) [3].

Исследована теоретическая входная характеристика (ВХ) идеализированного устройства в предположении, что ТОСП сохраняет исключительно кислородно-ионную проводимость при всех условиях, в том числе при сколь угодно малых коцентрациях кислорода в газе. В области глубокой откачки она кончается вертикальным участком при токе насыщения

(4)

когда носители поставляемые входным газовым потоком, полностью израсходованы, дальнейшее увилечение тока через КС невозможно.

В установившемся режиме (расход газа через ТОСП постоянный и отсутствуют иные механизмы проводимости, кроме кислородноионной) зависимость между током переноса и концентрацией в соответствии с законом Фарадея выражается соотношением:

(5)

где С-концентрация кислорода, ррm; I- ток, мка; Q- расход газа (при н.у.), см3/с; М- молекулярный вес кислорода; F- число Фарадея; n- число зарядов, необходимых для переноса одной молекулы кислорода [2].

Показания ТОПС зависят только от входной концентраций и расхода газа, причем колебания температуры окружающего воздуха и барометрического давления оказывают косвенное влияние на расход газа.

Напряжение питания должно быть достаточным лишь для практически полного переноса кислорода без превышения величины потенциала разложения электролита. Рассмотрена зависимость между выходным сигналом ТОСП и его параметрами при следующих ограничениях: режим течения газа внутри ТОСП – ламинарный; выход потоку-100%; компоненты газа химически не взаимодействуют с материалом электрода и электролита.

Все процессы, протекающие в ТОСП, разделяются на массоперенос кислорода из потока к поверхности электрода; адсорбцию на электроде; массоперенос через пористый электрод к границе раздела электрод – электролит и ионизацию атомов; перенос через электролит. Надо учесть, что скорости процессов внешнего массообмена, адсорбции и ионизации атомов в условиях рабочей температуры ТОСП велики, примем, что основные кинетические затруднения обусловлены процессами диффузии кислорода через электрод и его переноса через электролит. Создание на основе твердых оксидных суперионных проводников или твердоэлектролитных датчиков (первичных преобразователей) и систем контроля и автоматизации – одно из интенсивно развивающихся направлений прикладной физики твердого тела. Именно в этом направлении на сегодняшний день достигнут наиболее осязаемые практические результаты.

Твердоэлектролитные датчики успешно конкурируют с другими типами первичных преобразователей и находят все более широкое практическое использование. Обусловлено это тем, что эти датчики обладают целым рядом преимуществ и часто позволяют решать такие практические задачи, которые другими средствами реально решить не удается.

Наиболее широко используются датчики двух типов: потенциометрические и кулонометрические. Однако, предложены и начинают находить применение и датчики, в которых использованы другие принципы работы.

До недавнего времени внимание исследователей и разработчиков было сосредоточено, в основном, на высокотемпературных датчиках с оксидным электролитом, предназначенных для определения содержания кислорода или кислородного потенциала в газообразных и жидких средах, а также так называемого кислородного коэффициента твердых оксидов переменного состава [4].

Принципиальные возможности твердоэлектролитных датчиков весьма широки. Так, например датчики с кислородпроводящим оксидным электролитом типа стабилизированного диоксида циркония, позволяют определять парциальное давление кислорода в газовых средах от нескольких десятков атмосфер до 10-26 атм.

Однако, при практическом их использовании необходимо принимать во внимание, что ошибки измерений будут зависеть от реальных условий применении датчика: интервала концентраций компонента, мешающих примесей, температуры и т.п. В случае потенциометрических датчиков особое внимание необходимо обратить на создание условий, обеспечивающих равновесие на электродах по отношению к измеряемому компоненту, на возможность диффузии компонентов в электролите.

Литература:
  1. Chandra S. Superionic Sol., North-Holland, 1981. 885 p.

  2. Phys., Superionic Conductors/ed. M. B. Salamon, Springer – Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1979. 364 p.

  3. Укше Е.А., Букун Н.Г. Твердые электролиты. М.: Наука, 1977. 146 с.

  4. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов. М.: Химия, 1978. 345 с.

Основные термины (генерируются автоматически): парциальное давление кислорода, кислородный насос, датчик, расход газа, газовый поток, ионизация атомов, стенка трубки, электрод, электролит.


Похожие статьи

Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно как положительным электродом, так и газовым распределителем.

При этом число Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодействуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток газа определяется в...

О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных...

Из полученного уравнения следует, что при повышении парциального давления газа, растет вклад

При приложении напряжения к электродам газового сенсора начинается движение

Запишем зависимость распределения двукратно ионизированных вакансий кислорода VO+2...

Анализатор воздуха на платформе Arduino

Датчик широкого спектра газов MQ-2

Датчик угарного газа MQ-7

При атмосферном давлении не обладает отравляющим воздействием на организм человека, но попадая в воздух, газ смешивается с ним, вытесняет и уменьшает содержание кислорода в воздухе.

Повышение эффективности разделения целевых компонентов...

Обычно с нарастанием глубины и, соответственно, пластового давления изменяется состав газа. Для так называемого сеноманского газа

Газы чисто газовых месторождений (к ним чаще всего применимо название «сухой» газ), в основном состоят из метана, содержание которого...

Окислительная газификация частиц смолисто-сажевого аэрозоля...

Все стенки считали технически гладкими и непроницаемыми.

EA, i — энергия активации соответствующей химической реакции, — парциальное давление газообразного реагента G в газовой смеси в степени ci

Расход плазмообразующего газа— воздуха, нм3/ч.

Определение параметров горящей капли при ее взаимодействии...

Расчеты проводились для этилового спирта, которые реагируют с кислородом воздуха.

Попкова О. С., Шаймухаметова А. Ш. Расчет траектории движения и времени жизни горящей капли с акустическим потоком газа в трубке.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

1. Газогенератора, в котором для создания потока горячих газов высокого давления сжигается смесь из топлива и сжатого воздуха

Уменьшение динамического напора является следствием как уменьшения расхода газа, так и отклонения обтекания газом проточной части нагнетателя...

Покрытия сложного комбинированного состава для электродов...

Это все обусловливается хаотическим тепловым движением атомов, и наличием

В процессе напыления такие рабочие режимы как ток разряда и давление рабочего газа не изменяются.

− при давлениях ниже 2·10–2 Па покрытие, осаждаемое из потока металлической плазмы...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно как положительным электродом, так и газовым распределителем.

При этом число Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодействуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток газа определяется в...

О нелинейности вольт-амперных характеристик хеморезисторных...

Из полученного уравнения следует, что при повышении парциального давления газа, растет вклад

При приложении напряжения к электродам газового сенсора начинается движение

Запишем зависимость распределения двукратно ионизированных вакансий кислорода VO+2...

Анализатор воздуха на платформе Arduino

Датчик широкого спектра газов MQ-2

Датчик угарного газа MQ-7

При атмосферном давлении не обладает отравляющим воздействием на организм человека, но попадая в воздух, газ смешивается с ним, вытесняет и уменьшает содержание кислорода в воздухе.

Повышение эффективности разделения целевых компонентов...

Обычно с нарастанием глубины и, соответственно, пластового давления изменяется состав газа. Для так называемого сеноманского газа

Газы чисто газовых месторождений (к ним чаще всего применимо название «сухой» газ), в основном состоят из метана, содержание которого...

Окислительная газификация частиц смолисто-сажевого аэрозоля...

Все стенки считали технически гладкими и непроницаемыми.

EA, i — энергия активации соответствующей химической реакции, — парциальное давление газообразного реагента G в газовой смеси в степени ci

Расход плазмообразующего газа— воздуха, нм3/ч.

Определение параметров горящей капли при ее взаимодействии...

Расчеты проводились для этилового спирта, которые реагируют с кислородом воздуха.

Попкова О. С., Шаймухаметова А. Ш. Расчет траектории движения и времени жизни горящей капли с акустическим потоком газа в трубке.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

1. Газогенератора, в котором для создания потока горячих газов высокого давления сжигается смесь из топлива и сжатого воздуха

Уменьшение динамического напора является следствием как уменьшения расхода газа, так и отклонения обтекания газом проточной части нагнетателя...

Покрытия сложного комбинированного состава для электродов...

Это все обусловливается хаотическим тепловым движением атомов, и наличием

В процессе напыления такие рабочие режимы как ток разряда и давление рабочего газа не изменяются.

− при давлениях ниже 2·10–2 Па покрытие, осаждаемое из потока металлической плазмы...

Задать вопрос