автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Высокотемпературные твердоэлектролитные компенсационные измерительные преобразователи парциального давления кислорода

На правах рукопису

ТРОЦ Адам Адамович

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНІ ТВЕРДОЕЛЕКТРОЛІТНІ КОМБІНОВАНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПАРЦІАЛЬНОГО ТИСКУ КИСНЮ

05.11.13 - прилади та методи контролю природного

середовища .речовин,матеріалів та виробів

Автореферат дисертації на надання вченого ступеня кандидата технічних наук

Київ 1993

Робота виконана в Київському політехнічному інституті

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор _ ТМАНЧУК Петро Михайлович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скрипник Ю.О. кандидат технічних наук, Не доступ В.М.

Провідна установа: Український НДІ АП, м.Київ.

Захист відбудеться •¿о- £емг*а 1993 р.

о /у годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 068.14.08 при Київському політехнічному Інституті (252056, КиІв-56,просп.Перемоги,37).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського політехнічного Інституту.

Автореферат розісланий " ^9 " ______1993 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Бабак В.П.

- з -

Контроль технологічних процесів,якості сировини та готової про-тукттП у багатьох галузях народного господарства в значній мірі шляе собою контроль компонентного складу.Результат аналізу служить і ас об он управління технологічним процесом 1 показником якості продукцЗ ІукцІІ.Це справедливо по відношенню до енергетики,чорної та.кольо-)ово1 металургії,хімічної та нафтопереробної промисловості,промиє -ювості силікатів, медицини »контролю чистоти навколишнього середови-іа,а також вакуумних установок та установок вирощування кристалів, :истем управління роботою ДВЗ та багатьох Інших.

Одним Із основних хімічних елементів,Інформацію про концентрацію, іарціальний тиск або електрохімічну активність яких необхідно отри-яувати,виступає кисень.

Втаї найбільше число аналізів проводиться Фізичними 1 фізико-сімічншлі методами: хімічні,електрохімічні,з використанням паливно. влегаопїіь.термокондуктометричні,акустичний,ПНЄШаТЕЧНШ,І0НІі^ ¡аційнин, оптичний, мас-спектроійеї^чішп,магнітний, з виксртстанняи іапі впроводників, хроматографічні;

Найбільше поширенння у вказаних областях ошримали високотемпера-црні електрохімічні датчики на твердих: електролітах,які миють • ініонний характер проводності,завдяки своїй простоті,дешевізні, іисокій надійності »легковимірювальному виходному сигналовій 1 стро-1и теоретичній робочій!. характеристиці для обох режимів роботи: улонометричного 1 потенціоме тричного.

Практика показала,що найбільш ефективне їх застосування в енер-'єтеці 1 металургії для контролю кількості кисню в вихідних газах :отл1в 1 металургійних печей,в кисневих цехах.Інформація про концен-рацію кисню тут дозволяє судити про повноту протікаючих процесів дає можливість оптимизації їх режину роботи.

Однак вказаним датчикам притаманний ряд недоліків, обумовлюючих сновну похибку вимірів в межах 2... 15 % в вузькому'вимірювальному іапазонх.

Усуненню багатьох недоліків,підвищенню точності 1 вирішенню проблем,пов"язаних як з дослідженням електрохімічних 1 дифузійних процесів,протікаючих на межі газ» електрод,електрод-електриліт 1 в об"ем1 твердого електроліту.електронної 1 дирочної проводимостей, концентраційної е.с.с.»подвійного електричного шару 1а Інших; так

1 з вирішенням практичних питань вцроваднення твердих електролітів, беде сприяти дослідження опорних газових областями в об"емі твердого електроліту,об'єднаних з потенціометричною у кулонсметричною електрохімічно активними зонами,дозволить одержувати зрівняльний газовий електрод безпосередньо Із аналізуемого середовища в процесі вимірів,Істотно розширити діапазон вимірювальних тисків*,-вилучити необхідність визначення 1 стабілізації робочої температури Iі покраїцити точність вимірів.

Метою роботи е розробка основ створення методів проектування твердоелектролітних комбінованих вимірювальних перетворювачів /ШШ ТЕКВП/ парціального тиску кисню.

Наукова новизна:

— Дослідження опорної газової області,замкнутої в об"ем1 твердого електроліту,для виміру окремих компонент в газах.

— Методика конструювання ТЕКВП.

— Конструкції ТЕКВП.

— Математична модель ТЕКВП,побудована на термодинамічнййр рівноваз опорної газової області,динамічна 1 статична характеристики.

8 Методи,способи 1 релжми виміру,які реалізуються на Хьгши. -Вимірювальні схеми,які реалізуються з допомогою ТЕКВП.

— Теоретичне дослідження опорної газової області 11 енергетичної рівноваги.

— Доповнення до мшишмЖляиш& моделі роботи твердоелетрсяітноіо перетворювача,яке грунтується на визначенні Іонної хмари.

— Технологія виготовлення ТЕКВП.

Практична цінність:

- Високостабільний газовий електрод порівняння,який дозволяє працювати в широкому діапазоні вимірів / від 0 до 100 % об./ з однаковою похибкою вимірів.

- Варіант вимірів,виключаючий підвід газу для порівняльного середовища.

- Робочий оптимум по температурі,який дав можливість виключити точне регулювання 1 стабілізацію температури.

- Можливість реалізації компенсаційного метода виміру,як одного Із найбільш точних.

- Твердоелектрслітний комбінований вимірювальний перетворювач, який працює в широкому діапазоні вимірювальних концентрацій,не потребує підведення порівнювального газового середовища,формує порівнювальний газовий електрод овьп^сор«Дйьо із аналізуемого газового середовища,не потребує термостабилизації,

- Вичислені експериментально величини заряду подвійного електричного шару.

- Конструкція нагрівача мелогабаритного,що включає біфілярність намотки.

Апробація одержаній; результатів. ■

Результати роботи були викладені на IX Всесоюзній конференції ПО фізичній ХІМІЇ 1 електрохімії ІОННИХ рО?ТТ.їїЯЛІВ 1 твердих електролітів,яка проходила в м. Свердловську 20-22 жовтня 1987 р. Структура 1 об"ем дисертації.

Дисертація складається Із: змісту »введення, трйох глав, заклинення,літератури 1 приложень. Дисертація розміщена на 184 аркушах.

В першій главі приведені основні фізико-хімічні властивості кисню, області застосування кисню,а також технічні області застосування кисню.На основі аналізу споживання хімічної промисловості 1 підприємств чорної 1 кольорової металургій складена таблиця діапазонів виміру кисню. Велика кількість діапазоні ви виміру кисню

ставить зал необхідність проектування вимірювальних перетворювачів з широким діапазоном виміру.Перечислені метода визначення концентрації кисню 1 окремо розглянуті електрохімічні методи визначення кисню,основані на твердих електролітах,серед яких основними виступають потенціометричний 1 кулон оме тричний методи виміру.

На основі аналізу літературних даврел складена узагальнена класифікація твердоелектролітних вимірювальних перетворювачів.Відпрацьовані узагальнені конструкції твердоелектролітних перетворювачів »основаних на використанні окремо потенцішетричноіоі кулонометричноіо перетворювачів,які мають оптимальну конструкцію 1 характеристики. Висвітлений сучасний стан засобів виміру парціального тиску кисню, з застосуванням твердих електролітів.Описані методи виміру 1 конструкції ВИ,які використовують потенціометричний 1 кулонометричний режими виміру одночасно.РозглянутІ методи виміру ± конструкції ВП,як1 дозволяють одеркувати порівняльний газовий електрод безпосередньо Із вимірювального середовища.Описані методи виміру 1 кон-струкцПБП,як1 не потребують визначення 1 стабілізації робочої температури.Р^зглЯнутІ також методи виміру 1 ВП парціального тиску окремих газів 1 зокрема кисню,які реалізуються на твердих електролітах,® дозволяють отримувати високу точність вимірів, приведений докладний аналіз отсаних методів 1 ВП в світлі вимог промисловості 1 доказана необхідність створення ТЕКВП,спроможного отримувати газовий електрод порівняли беспосередньо Із вимірювального середовища,Який працює в широкому діапазоні вимірювальних концентрацій кисню,який має температурний оптимум,в якому не потрібна стабілізація температури 1 при цьоцу суттєво підвищуючий точність Штлріь .Приведена методика створення твердоелектролітних ВП з оптимальними 1 покращеним характеристиками.

В другій главі розроблена математична модель,яка основана на законі збереження 1 перетворення енергії,записане рівняння термодинамічної® рівноваги опорної газової області.Під час розробки математичної

в Цій області

матичної моделі ТЕКВП був урахований зібраний досвід .Серед найбільш близьких відзначимо математичні моделі: дифузійну тонкоплів-кову Заїки Л.С.; фізико-хімічну Гераімчука М.Д.; електрохімічну Патрушева Ю.М. 1 математичну модель,яка базується на законі масо-

у

переносу 1 законі збереження маси.ФомІна М.М..Таланчука П.М'.І Сергеева В.В.Але відзначені моделі відрізняються загромандженністю математичних рівнянь І недостатньою адекватністю реальному ТЕКВП.

В результаті аналізу експериментальних даних,а також аналізу наявних процесів розроблена нова математична модель,яка основується на законі збереження 1 перетворення енергії.Така модель е найбільш повною для розробленого ВП,1, судячи Із досвіду математичного моделювання,такий підхід е найбіль унІверсальним.До твердоелектролітних ВП такий підхід впроваджено вперше 1 е оправданим в звязку з тим,що робота ТЕКВП пов"язана з перетворенням одного виду енергії в Інші .Математична модель базується на записуванні Рівняння термодинамічної рівноваги опорної газової областІ.ПІд час експерименту було ном1чено,що при закачуванні кисню всередину камери Існує межа по тиску,вище якого не можливо підняти тиск кисню.КрІм того бУла встановлена температурна залежність,характер поведінки якої не можливо пояснити з позицій Інших раніш відомих математичних моделей 1 тілки цілком зрозуміла з позицій нової моделі.

Рівняння термодинамічної рівноваги опорної газової області має виглЯд:

№ = + - \//ия - з С

де — потенціальна енергія опорної газової області; '//^ - потенціальна енергія газу вимірювального середовища; ’'//Л - електрична

" і

енергія,яка підводиться до кулонометричної зони; у/иЯ - електрична енергія,яка генеруеться на потенціометричній зоні; втрати

потенціальної і електричної енергій. '

Потенціальна енергія опорної газової області

UC, = W" * , U)

Д0 Vvq — початкова потенціальна енергія газу в опорній області;

^Др„г— потенціальна енергія кисню,який закачується кулонометричною зоною; - потенціальна енергія втрат ,пов"язана з кисневою

цроникливістю стінок опорної газової області.

Після нескладних міркувань для початкової потенціальної енергії газу в опорній газовій області маємо:

„ і «U4, , (І)

де й win - потенціальна енергія газУ.яка залежить від умов виготовлення ВП /параметр ,пов"язаний з технологією виготовлення/. Електрична енергія,яка подається на кулонометричну зону:

(,.г у/Д -< - щ*'- ■> w

Де W0і. ~ електрична енергія,яка витрачуеться на дозування кисню; Wy-c. — електрична енергія,яка витрачуеться на створення ще подвійного електричного шару.

В результаті будемо мати:

Д W*, + VAfei + W*treju = Ч/оі 4 ^-с- “ " М/иелрь . [5)

Після проведення розпшфровки кожного записаного виду енергії,

' остаточно рівнт«»" тзтг.*о~^а'*і.ч=/'і рівноваги опорної газової області буде мати вигляд:

(РУ.*- ~N) ^ + = wi F(l[*a- сим) + ~

- J-С6)

Після аналізу факторів,які впливають на роботу ТЕКВП на базі розробленої математичної моделі,серед яких суттєвими е: початковий тиск в опорній газовій області",об"ем опорної газової області,струм дозування,робона температура,час дозування,напруга живлення, напруга НЕрнста, заряд подвійного електричного тару, електрохімічний еквівалент одного моля робочого газу,показники цровідності /іонної,електронної 1 дирочної/,влектрохимічні потенціали елек-

• - 9 -

тродів порівняльного 1 вимірювального середовищ,розглянуто доповнення до електрохімічної моделі роботи твердого електроліта.

• було встановлено,

При дослідженні проточного газового електроду ппрИінншіаш

що при витратах■газу порівняння від 40 до 70 мл/хв. Існує пік напруги Нернста. Падіння напруги при витратах більших 70 мл/хв можна пояснити переохолодженням електродів.Але при витратах менших 40 мл/хв падіння е.с.с. різниш авторами пояснюється по різному.Найбільш поширене пояснення виникаючою концентраційною е.с.с. Але тоді пік напруги повинен бути різним для не одинакових за технологією електродів 1 для Різних е.с.с.,що на практиці не виконується.Це навело на думку,що навтгатги з~ят'тгю!т1в в приелектроднхи зоні /газовій/ виникає Іонна хмара Із Іонів Іонотворчого атому. Методика розрахунку Іонної хмари включає в себе визначення повних витрат заряду,який підводиться,а з нього - теоретичного значення виникаючого на електродах електричної® напруги.Після цього визначається електрохімічним способом е.с.с. Нернста.Із умови

Е- = Ен визначається загальний заряд,якій підведенні"; до злектродів.

о

Після цього експериментально визначається шляхом безпосередньго виміру підведений заряд.Знаючи різницю теоретичного 1 експериментального зарядів,розраховують число Іонів,які створюють Іонну хмару.

Заряд, підведений до першого 1 другого електродів »можна визначити ; > (?)

де т - позитивні заряди елктродів Е1 І Е2; , Иог -

числа Іонів,які попали в об"ем твердого електроліту Із порівняльної 1 вимірювальної середовищ; 2 — валентність Іонотворчого атому; £ — заряд одного електрону.

Електрична напруга

^ і-Соі/Сог.) у (8)

де 0 /— різниця електричних зарядів; А - товщина твердого елек-

троліту; - площа електродів; ¿о — електрична постійна; 6 -відносна диедектрична проникливість твердого електроліту.

Е.с.с. Нернста

. р = _ЇЇІ ^ > С9)

. ^ ЛїР Сіг

де !^ - універсальна газова постійна; Р - постійна Фарадея;

' | — температуоа Т-цуццох-о електроліту

Тоді сумарний заряд

О , ЛТ. ' і-СУг/рОі / С°!_ (т

V (, п? & 3 1 ’

Де Сої > Сог ~ концентрації кисню в вимірювальній і порівняльній середовищах.

Різниця теоретичного 1 експериментального зарядів:

; . . (іі)

де С^з - заряд,Еіайрешй експериментально; ср - теоретичній

заряд.

Тоді число Іонів в Іонній хмарі:

Або при перерахунку на ко.~ен електрод

.... и"-^ Ац ...

і^гІСІг. ’ ік І+Соі/Соі' ( )

Після аналізу вішівавчпх гакторїв основна робоча характеристика буде мати вигляд:

. г-і >"4 /1

р . їй Іі-ЛГ-^тИс/к])*

(Іг(Ч-'У*)/<к'с \) - ^

На базі розробленої математичної моделі реалізовано ряд дискретних аналогів: 100-# іі по кисню газовий електрод порівняння;

0%-4і по кисню газовий електрод порівняння; модель Франкса з керу-вальною робочою температурою; модель виміру з повилегоп чутл.шіс-

тю в діапазоні середніх 1 високих концентрацій кисню; модель роботи з підвищеною чутливістю в діапазоні малих 1 низьких концентрацій кисню; компенсаційний метод виміру; комбінованої метод виміру .Розраховані робочі характеристики для коглого із розроблених аналогів.

Б основі конструкції ТЕКВП лежать два найбільш поширені технічні підходи: такназвані "пробірка" 1 "Пілюля".Суттєвим розширенням клгаку комбінованого методу виміру е розроблений способ виміру газу.Суть способу в використанні^ в якості опорних двох Ізольованих газових областей з кратним часом дозування киснв в них.

При роботі з Киснем при високих температурах має місце ваклива проблема вигорання кисню.Коли в приелектродній газовій області Еіікшсае кисневе полум"я.Це призводить до додаткових проблем вибухо-небеспечності твердоелектролітних ВП.Для рішення цих проблем розроблений устрій,який дозволяє запобігти виникненню кисневого по-роботл

лумпЯоСуть з^стрію полягає в автоматичному пониженню температури при еиніікнєкні кисневого полум"я,що призводить до його гасіння.Всі описані конструкції приведені в роботі.

В третій главі проведено екпернментальке дослідження аналітичних залегзюстеіі 1 дослідне підтвердження правількості прійкятих припущень.Запропонована установа дія градуюзанкя розроблених ТЕКЬІІ, приведені описування 1 принцип роботи.Прлнздене описання розробленій ТЕКВП в слідуючій послідовності: оппсухаккя,розробка 1 технологія виготовлення чутливого елементу; підбір термопари для виміру температури; описування ТЕКВП в цілому 1 технологія виготовлення.

Технологія виготовлення нагрівача розроблена з урахуванням доступних в лаоораторних умовах матеріалів.

для виготовлення чутливого елемкнту використані дві пробірки Із твердого електроліту або два диски 1 кілце Із тога-, матеріалу прп виготовленні чутливих елементів двох типів.Технологія виготовлення

пробіркового-ЕШ1 базується на технології виготовлення твердоелнк-тролітних пробіркових ВП,розробленої Ангарськпи ф Іліею ОКБА. Технологія виготовлення таблеткового ТЕКВП включає: розрізка стандартного твердоедектролітного стовпчика діаметром 12..114 мм на диски товщиною 3,5...4 мм алмазною трезою; прошивка за допомогою ультразвукової установки або сверління сверлом з алмазною наплавкою отворів діаметром 3...5 мм по центру одержаних дисків; пші-фовка поверхностей на алмазному крузі до товщини 3 мм; розрізка алмазною фрезою стандартного твердоелектрояітного стовпчика діаметром 6...а мм на діски товщиною 2,5...З мм; шліфовка поверхностей одержаних дисків на алмазному крузі до товщини 2 мм; Перед нанесенням платинових електродів деталі необхідно промити в мильній волі,а потім в спирті на протязі 1,5 години,після цього просушити на повітрі 1,5...2години 1 в печі 0,5 години при 300... ...400°С.Платинову пасту стандартного виготовлення з розміром зерен 40 мкмнанести з обох сторіндисків діаметром 6...8 мм в формі кругів діаметром 3...5 мм,закріпивши при цьому платинові виводи / платинові ш смужки товщиною 0,1 мм/,після цього платинові електроди,нанесені на диски,Відпалити на протея' 1..Д,5 години в печі ттш 120и°С. Остання операція — склеювання частин датчику високотемпературним клеем,приготовленим по одній Із Відомих тех-нолог1".Була використана шпече описана технологІя.Високотемпературн кварцове скло з температурою плавлення 1200®С дрібно товкли.Розводили каніфоль в спирті в відношенні 1:2.Засипали скляний порошок помішуючи до утворення густої клеєподібної маси.По мірі випаровування спирту доба гл&и каніфоль зі сштртом.Д^тчик клеїли наступним чин ом.На очищені поверні тверд оелектролітного кільця 1 дисків з елктродами наносили приготовлений клей.Деталі принимали 1 цросушува ли на повітрі 0,5...1 годину,затим в печі при температурі 150... 200°С з вільним доступом повітря 0,5 години .Повільно на протязі 1,5 години нагрівали ВП до температури 1200°С,відпалювали ЗО хв,

повільно на протязі 1,5...2 годин охолоджували з пічкою до температури не вище 50°с і виймали із печі готовий датчик гачсню.Рого-а •

- 13 -

температура датчика в проттес'"'! ткуіоти не більше 800°С.

Термопара вибираласьіз стандартного рЯДа для необхидних умов експлуатації.Далі приведена технологія зборки ТЕКВП в цілому. Технічна характеристика розроблених ТЕКВП.

— Діапазон вимірювальних тисків, о6.% 0...100

— Робоча температура, К 873... 1173

— Вигідний вимірювальний сигнал: '

напруга, В до 1,2

струм дозування, А 0...0,3

— Напруга живлення:

чутливого елементу, В 0,5...1,7

нагрівача, В 0...40

— Потужність споживання, Вт 1...1.5

— Точність /теоретична/, % 1,5

— Габарити без вторичного приладу, мм 30x30x90

З метою визначення датчика як ЗВ був визначений комплекс метрологічних характеристик згідно з ГОСТ 8.009-72.До них відносяться: діапазон роботи; статична характеристика; поріг чутливості; максимальне значення основної відносної похибки в робочому діапазоні; чутливість; швидкодія; вхідний 1 вихідний опір.Значення метрологічних характеристик визначені як теоретично так 1 екперішентально.

Проведено дослідження адекватності математичної моделі реальному ТЕКВП для температурного режиму,як одного Із найбільш властивих моделі термодинамічної рівноваги опорної газової області. Перевірка адекватності проведена по двох критеріях: критерію 51-шера 1 критерію Стьюдепта.Було проведено вісім серій експериментів по 16 вимірів в кожномуЛоказано,що математична модель адекватно описує реальный ТЕКВП з рівнем значимості 95 %.

Проведена оптимізація основних параметрів як експериментально так 1 теоретично.Основними параметрами,які підлягали оптимізації, Е: робоча температура, швидкодія; напруга живлення; характеристики твердого електроліту / ємність подвійного електричного шару, ді—

елктрична проникливість/; площа електродів; товщина стінки твердого, електроліту; об"ем опорної газової області.Серед суттєвих мсяна відзначити температурниу оптимум,в якому показання датчика не залежать від теьиіера-іури ,а температурна похибка не перевищує

0,2 % на межах діапазону. Критерієм оптимізадії е Мінімум витра-чуваемої енергії.

В осшанньому розділі третоьі глави проведений аналіз основних

• * . похибок у ВІДПОВІДНОСТІ З структурною СХЄМОЮ^іГ. Н&л •/

Ланка 1 символізує потенціальну енергію,яка підводиться до куло-нометричної електрохімічно активної зони.До основних похибок куло-номерричної частини в1дносяться:неповний перенос кисню в порівняльну зону; фоновий стрим; газова проникливість схеми; похибка вимірювальної схеми; похибка вторинного приладу.

Основна приведена похибка складає 1,9 % для кулонометричного Ш,а для кулонометричної частини розглядаемого Ш - 0,9 %

До сновних факторів,які визивають виникнення додаткової похибки, відносяться*! зміна температури навколишнього середовища; зміна тиску газу/аналізуемого/ ; коливання напруги живлення.Для кулонометричного ВП мають місце ще два фактори: зміна барометричного тноку; коливання вмісту кисню в повітрі.Сумарна квадратична похибка кулонометричного ВП не перевищуе 1,93 %.

Ланка 2 зоображае електричну енергію,яка підводиться до кулонометричного ВП .Відносна похибка згідно з структурною схемою буде визначатися наступними компонентами :похибка визначення 1 всановлен-ня напруги живлення; похибка визначення налярізаційної напруии; похибка визначення електрохімічного еквІваленту.Сумарна квадратична похибка ланки 2 не перевищуе (У, 3 %і

Ланка 3 це елктрична енергія втрат у вторинній мережі.Вона складає по виличині 1,5 % від загальної енергії.

Ланка 4 це електрична енергія подвійного електричного шару кулон метричної електрохімічно активної зони .Його похибка визналаеться:

¿u«* L ' l S d

ІШзля аналізу окремих складаемих сумарна похибка складає 1,5 %.

Ланка 5 являє собою електричну енергію,яка генеруеться на по-теціометричній електрохімічно активній зоні.похибка визначення ємкості подвійного електричного шару залежить від багатьох параметрів

С Ji. IHL+ МліСч-чЖТ) м ІЇ.Гім і>с=" х чТ5 . Ц,(2гСЧ-Ч,) 'j, Т W

Аналіз складових показуа^що сумарна похибка ланки 5 складає 0,45%.

Ланка 6 являє собою вираз тиску кисню в опорній газовій області. Цей тиск визначається за допомогою потенціометричної зони.

Для п1гсА~: ::-ку абсолютної похибки скористаємось відомого методикою •

Масоперенос грає важливу роль в роботі потенціометричної зоні?» Кількісно масоперенос буде, визначатись залежністю:

¡.te

С К г п1

КОі .

Величина похибки,обумовлена кисневою проникливістю при температурі 700°С у датчика з - Ся твердим електролітом 1 геометричними параметрами ТЕКШ з вмістом кисню в аналізуемому газі від 0,1 до 21 % не перевищує 1%. Таким чином сумарна похибка потемціометрігч-ноі зони складає 4 %.

Ланки 7 18 символізують перепад тиску в опорній газовій області, пов"язаний з підтоком 1 кисневою проникливістю стінок твердого електролІту.Похибка визначення цього тиску залежить від багатьох технологічних факторів ,пов"язаний з виготовленням перетворювача.

На практиці цю похибку визначають за допомогою виміру характеру поведінки е.с.с. Нернста в часі.Таким чином ця похибка зводиться до похибки потенціометричної зони 1 дорівнює 4 %,

Ланка 9 це об"ем опорно# газової області. Практично похибка визначення об"ему не перевшцуе 0,5 % 1 в основному ви значаевься точністю склеювання /товщиною клею / для талеткового типу и точністю витримання розмірів при склеюванні для пробіркового типу.

Загальна похибка ТЕКВП в цілому визначається по структурній схемі:

5

- К"і +• К*2 - *з + • '¿5. і-

1=1

Після підстановки числових значень одержим комбінованого методУ виміру.

Висновки.

Проведені теоретитої 1 експериментальні дослідження складають основу створення методів проектування твердоелектролітних комбінованих вимірювальних перетворювачів тиску кисню в широкому вимірювальному діапазоні.

Основні результати роботи. ■

1. На основі аналізу літературних джерел 1 технічних рішень запропонована класифікація твердоелектролітних БП 1 узагальнені кон— струкі?11 потенціометричної 1 кулонометричної зон.

2. На основі закону збереження 1 перетворення енергії розроблена математична модель ТЕКВП,яка враховує енергетичну рівновагу опорної газової області.

3. На основі аналізу експериментальних даних зроблено висновок

про те,що в процесі роботи твердоелектролитного ЕП в приелектродній газовій області ВП виникає Іонна хмара Із Іон&в кисню,вплив якої позначається на роботі ВП,так як Іони кисню срають бар"ером для доступу молекуляроного кисню.Проведен1 теоретичні дослідження 15онно±д хмари »розраховані його параметри.

4. На основі розробленої математичної моделі реалізовано ряд дискретних аналогів.Розглянуто кожен Із розроблених аналогів.Показано,то найбільш точністю володіє компенсаційний метод вим№ РУ.

5. З метою розширення вимірювального діапазону 1 підвищення чутли-

оснований

вості розроблений новий спосіб визначення складу газу,1взіішш!ІішішшЕШ на тощ

шшшШі ,що в одну Із камер твердоелектролітної ячейки /ТЕЯ/ подають аналізуемий крмнонент газу.відрізняицийся тим,що з метою підвищення точності визначення 1 розширення назначаемого діапазону попередньо забезпечують рівновагу концентрацій аналізуемого компоненту в обох герметичних камерах,подають аналізуемий компонент в обидві камери з однаковою швидкістю,при цьому накачку здійснюють придопомозі ТЕЯ,а час накачки в першу1 другу -її камери вибираё-ють з урахуванням відношення '¿4=діг,де Я 4 »визначають кіль—

кість "У" поданого аналізуемого кршіонента в дослідауемому газі, відповідно, по формулах: '

• и ^ "1) ‘

6. Розроблені три конструкції ТЕКВП, включаючі :чотирьохелектрод- , нттй тикнтт цробиркового типу з рівноважними електродами; трьохелектродний тикви пробіркового типу з нерівновакними електродами; трьохелектродний. ТЕКВП таблеткового типу з нерівноваїсними елктро-дами,як1 црайшли випробування в умовах 1ІШ тресту "УКРенергочермет" Розроблена технология виготовлення ТЕКВП,включаюча:технологію виготовлення нагрівача; технологію виготовлення чутливого елемента; вибір термопари для виміру температури; технологію зборки ТЕКВП

в цілому.

7. Проведено дослідження адекватності математичної моделі реальному перетворйвачу по двох критеріях: критерію Фішера 1 критерію 6тьюдента.Показано,що математична модель адекватно описує дос-лідауемий перетворйвач з рівнем значимості 95$ .Проведена оптимі-зація основних параметрів,якї входять в робочу характеристику.

8. Побудована структурна схема ТЕКШ.Визначена динамічна 1 статична характеристики 1 визначені чутливості всіх ланок.Проведено аналіз всіх складових похибки 1 розраховано величину загалгь'-' і похибки.Відносна величина похибки ТЕКВП при вимірах комбінованим методом не перевищує А,у %.

9. Таким чинш, комбінування потенціометричного 1 кулонсметричного режимів виміру в одної,у датчику,об”еднаних з опорним газовим середовищем,Ізольованим від вимірювального середовіпца або з"ед-наного з ним капіляр ом, е найбільш перспективним напрямком вдос-лідженнях твердих електролітів .електродних процесів 1 розробці твердоелектроліних первинних вимірювальних перетворювачів.

Список опубликованиях робФт.

1. Дуйков С.И.,Заика Л.С.,0нипко В.В..Смсяий A.B. .Таланчук П.М.,

Тихонович В.Б.,Троц A.A. Динамический комбинированный преобразо -ватель давления кислорода// Тез.докл. IX Всесоюзной науч. техн. конференции по физ.химии и электрохимии ионных расплавов и твер -дых электролитов,20-22 октября 1987г. - Свердловск, 1987. -С. 178 -179. .

2. Герман М.С. .Голубков С.П.,Заика JT.C. .Онипко В.В. .Таланчук П.М., Тихонович В.Б. ,Троц A.A..Фомин М.Н.,Дуйков С.И. A.c. СССР

iS 1459446.опубл. 15 октября 1988.

3. Компенсационный твердоэлектролитный измерительный преобразова -телъ / Таланчук П'.М.,Троц A.A. // Хим. технолошя.-1990.- & 6.-

С. 69-73.

4.ТвердоэлектролитныЗ измерительный преобразователь парциального давления кислорода / Таланчук П.М. ,Троц A.A. // Хим. технология.

- 1991. - & 1.- С. 82-84.

5. Расчет быстродействия твердоэлектролитного комбинированного измерительного преобразователя кислорода / Троц A.A. // Вестник КПИ. Приборостроение.- 1991.-В. 21.- С. 52-55.

6. Модель работы твердоэлектролитной ячейки / Троц A.A. // Хим. технология.- 1992.-JS 2.-С. 99-103.

7. Технология изготовления твердоэлектролитного комбинированного измерительного преобразователя кислорода / Троц A.A. // Хим. тех -нология.— 1992.- JA 3.- С. 70-71.

8. Анализ погрешностей твердоэлектролитного комбинированного измерительного преобразователя / Троц A.A. // Вестник КПИ.Приборостроение,- 1992,- В. 22. - С. 55-57.

9. Электрохимический датчик.Голубков С.П. .Таланчук П.М.,Троц A.A. Полонит. решение по з-кэ !Ь 4904087/25 от 22.01.91 г.

10. Способ определения состава газа.Таланчук П.М.,Троц A.A. Полонит, решэние по з-ке JS 4922394/25 от 29.03.91 г.

¿

¿/пит 1

Eoda

\/С'пот 3 Г/

* V

'• 8 4 » і ■ 7

Еис. .Структурная сіемяс 1ЭКИП для комбинированного метода измерениям