Кулонометрические датчики

Кулонометрические датчики влажности (электролитические гигрометры) являются хемосорбционными, их действие основано на непрерывном поглощении влаги сорбентом и одновременном ее электролитическом разложении. Они позволяют определять очень низкое содержание водяного пара в воздухе или других газах. Чувствительный элемент датчика состоит из двух электродов со слоем фосфорного ангидрида Р₂О₅ между ними. В первых конструкциях электроды из Pt или Rh имели спиралевидную форму и располагались внутри трубки, по которой пропускался анализируемый газ.

В настоящее время используется планарная конструкция чувствительного элемента. Р₂О₅ имеет высокую гигроскопичность, большое удельное сопротивление в сухом виде и хорошую электропроводность после сорбции влаги. В датчике происходят одновременно два процесса: поглощение влаги фосфорным ангидридом с образованием либо метафосфорной кислоты при низких температурах

Р₂О₅ + Н₂О→2НРО₃, (7.2)

либо при более высоких – ортофосфорной

Р₂О₅ + 3Н₂О → 2Н₃РО₄ (7.3)

и их электролиз, сопровождающийся регенерацией фосфорного ангидрида и разложением воды с выделением кислорода и водорода:

2НРО₃ → Н₂ + ½О₂ + Р₂О₅, (7.4)

4Н₃РО₄ → 6Н₂ + 3О₂ + 2Р₂О₅. (7.5)

Для электролиза на электроды подается постоянное напряжение 30 – 70 В. Ток электролиза пропорционален содержанию водяного пара в исследуемом газе (при постоянном расходе газа 20 – 200 см³/мин).

Такой гигрометр лучше всего подходит для измерений в газах с очень малым содержанием воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции воды трубопроводами газов и составляет 10 – 20 ppm. При измерениях малых концентраций менее 10 ppm (соответствует точке росы менее –70 °С) из-за явлений сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч. При измерении влажности свыше 1000 – 1500 ppm сильно возрастает ток электролиза, что ведет к разогреву датчика, а при влажностях 10000 ppm (1 %) возникает возможность разрушения датчика. При измерениях высокого влагосодержания используют диффузионную мембрану, пропускающую лишь часть влаги из анализируемого потока.

Постоянная времени τ прибора зависит от направления, в котором изменяется влажность: при повышении влажности (от 10^-2 до 10^-1 %) τ ≤ 30 с, при снижении влажности (от 10^-1 до10^-2 %) τ составляет несколько минут.

Датчик позволяет измерять влажность различных газов: N₂, H₂, CH₄, CO₂, хладоагентов (фреона), хлористого водорода HCl, фосгена. Однако такие газы как аммиак, пары спиртов, амины вступают в химическую реакцию с P₂O₅ и могут разрушить датчик. Конструкция датчика приведена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Конструкция кулонометрического датчика:

1 – оболочка из тефлона; 2 – трубка для пропускания газа;

3 – электрод; 4 – корпус из нержавеющей стали; 5 – зажимы