Спосіб вимірювання тиску кисню в газовій суміші

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний при вимірюванні тиску газів з допомогою напівпровідникових датчиків. Відомий спосіб вимірювання концентрації газів, суть якого полягає в нагріванні чутливого шару, який розміщується між електродами, до температури хемосорбції шляхом пропускання електричного струму через кожний електрод, періодичній подачі порівняльного середовища, регулюванні струмів, що проходять через кожний електрод, не змінюючи температури нагріву чутливого шару, до одержання рівності потенціалів в точках вимірювання провідності чутливого шару, пропусканні струму сигналу через чутливий шар, подачі середовища, що аналізується і вимірюванні зміни провідності чутливого шару, по якій судять про концентрацію газу, що аналізується [Авт.св. СРСР №828051, кл. G 01 N 27/02, 1979]. Основним недоліком способу вимірювання концентрації є наявність похибки вимірювання із-за відмінностей у властивостях поверхні напівпровідникових чутливих елементів, одержаних при виготовленні детектора газу, а також відсутність контролю стану поверхні чутливого шару в процесі вимірювання Найбільш близьким по технічному рішенню - прототипом є спосіб визначення концентрації газів шляхом вимірювання опору напівпровідникового чутливого елементу, який нагрівається електричним нагрівником І періодичній подачі порівняльного. досліджуваного середовища до поверхні чутливого елементу, вимірюванні його максимального опору при подачі досліджуваного середовища, по якому судять про концентрацію досліджуваного середовища, в періодичній зміні струму нагрівника для прискорення десорбції в інтервалі часу між вимірюванням максимальної зміни опору і кінцем десорбції по досягненню вихідних значень опору елементу і струму нагрівника в порівняльному середовищі, вихідне значення опору чутливого елементу одержують регулюванням опору елементу струмом нагрівника, яке починають в момент досягнення максимальної зміни опору елементу і закінчують по досягненні стабільного в часі вихідного значення струму нагрівника, причому подачу середовища для порівняння подають в момент досягнення максимальної зміни опору елементу [Авт.св. СРСР №913207, кл. G 01 N 27/02, 1981]. Недоліком способу є використання середовища для порівняння, необхідність цикла підготовки чутливого елементу після кожного вимірювання, відносно невеликий діапазон зміни опору, який обмежує точність вимірювання. Технічна задача - спрощення процесу та підвищення точності визначення тиску кисню. Досягається це тим, що через чутливий елемент пропускають постійний струм густиною 1014 - 1015 А/м, вимірюють спад напруги на чутливому елементі пропорційний опорові І по його величині судять про тиск досліджуваного газу. Пропускання струму густиною менше 10 А/м2 збільшує час підготовки чутливого елементу, а більше 1015 А/м2 може привести до незворотних змін в чутливому елементі. На кресленні поданий датчик для здійснення запропонованого способу. Чутливий елемент представляє собою напилену на діелектричну підкладку 1 плівку 2 з ZrO2 + 10% Y2O3 з нанесеними на Π поверхню нікелевими контактами 3. На зворотній стороні підкладки розміщується нагрівник 4. Спосіб реалізується таким чином. Чутливий елемент нагрівають пропусканням струму через нагрівник до робочо! температури 500-700 С і пропускають через нього струм 1014 - 10 А/м2. По спаду напруги визначають опір тонкої плівки. При протіканні струму через твердий електроліт (плівку з ZrO2 + 10% Y2O3) проходить процес його деградації при дії кисневого насосу між контактами і електролітом, а також перерозподіл І дифузія кисню. Результатом деградації є відновлення твердого електроліту до стану з високою провідністю. Поява кисню в контрольованому середовищі супроводжується адсорбцією на поверхні плівки, дифузією в об'єм і заповненням кисневих вакансій. Встановлення динамічної рівноваги між адсорбованим і десорбовзним плівкою киснем супроводжується стабілізацією опору, по величині якого судять про тиск газу. Типова залежність спаду напруги на чутливому елементі від тиску кисню приведена в таблиці. Чутливість датчика в деяких границях можна змінювати величиною струму, який пропускають через плівку твердого електроліту. Спрощення способу забезпечується тим, що на відміну від прототипу для активації чутливого елементу замість додаткового нагріву пропонується пропускати струм густиною 10 - 10 А/м2, в результаті чого відпадає потреба в подачі середовища для порівняння. Підвищення точності відбувається за рахунок того, що повна зміна опору елементу при зміні тиску кисню значно більша, ніж у випадку зміни опору поверхні, вимірювання якого покладено в основу роботи прототипу.