Исследователи из УрФУ и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН придумали комбинированный электрохимический датчик кислорода, который отличается от существующих аналогов своей конструкцией и повышенной надежностью. Статья исследователей опубликована в журнале Sensors and Actuators.

Датчики кислорода используются для определения концентрации этого газа в выхлопах автомобилей, в отработанных топочных газах на котлоагрегатах и в металлургических процессах. По этому показателю можно судить о соотношении топлива и воздуха, которые подаются в двигатели автомобилей и котлоагрегаты, о содержании кислорода в отработанных газах, о составе атмосферы и так далее.

Российские исследователи представили новый датчик. Его длина, ширина и высота составляют соответственно 1,7×0,7×0,15 см. Сама конструкция состоит из двух склеенных друг с другом пластинок — электролитов на основе оксидов циркония и иттрия 0.91ZrO₂ + 0.09Y₂O₃. На пластинки с внешней и внутренней сторон нанесены электроды с прикрепленными к ним токоподводами. Между пластинками располагается полость, в которую снаружи вставлен капилляр диаметром 0,15 мм.

«К одной пластинке прикладывается напряжение, чтобы откачивать кислород через электролит в виде ионов. Эта часть устройства выполняет функцию амперометрического сенсора. При определенном токе откачки внутри полости содержание кислорода достигает минимальных значений, а значит дальше ток расти не может, он достигает предела. Чем меньше концентрация кислорода, тем ниже предельный ток. Таким образом, по предельному току можно определять концентрацию кислорода», — рассказывает соавтор статьи, заведующий лабораторией электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН Анатолий Демин.

Вторая пластинка выполняет функцию потенциометрического датчика. Она позволяет измерить разность потенциалов электродов, один из которых находится внутри полости, а другой — в исследуемой атмосфере. Именно использование этой пластины и является ключевым элементом разработки.

При концентрации кислорода меньше 20% предельный ток пропорционален концентрации. Но при более высокой концентрации газа этот показатель растет сильнее, чем концентрация, поэтому перед использованием датчик калибруют: строят зависимость концентрации кислорода от предельного тока. И в этом случае потенциометрический датчик помогает откалибровать прибор более точно.

Под воздействием высокой температуры в пластинках могут образоваться трещины, в герметике, которым их герметизируют, могут появиться течи. Тогда кислород начнется проникать в полость датчика не только через капилляр, но и через течи. Из-за этого измерения амперометрического и потенциометрического сенсоров станут отличаться от калибровочных кривых, что сделает снятые показания недостоверными

Автор новой разработки показали, что их датчик имеет быстрый и точный отклик на газовые смеси, которые содержат кислород в широком диапазоне концентраций — от 0,8% до 88% — и при рабочих температурах от 400°C до 700°C.