Устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах
Патент 966581
Авторы
Классы МПК
Устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах
Иллюстрации
Реферат
Союз Советских
Социалистических
Рес ублин
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 10.12.80 (21) 3213398/18 — 25 с присоединением заявки ¹
G 01 М 27/46
Госуаарстеанмый комитет
СССР (23) Приоритет по делам изобретеиий к открытий (З) ЯК 543.253 (088.8) Опубликовано 15.10.82. Бюллетень № 38
Дата опубликования описания 15.10.82 (72) Авторы изобретения
В. Г. Баранов, Ю. Г. Годин и А. В. Хлунов. Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА
ДИФФУЗИИ КИСЛОРОДА В МЕТАЛЛАХ И ОКИСЛАХ
Изобретение относится к метрологии процессов диффузионного переноса кислорода в металлах и нестехиометрических соединениях и может быть использовано для измерения коэффициента химической диффузии кислорода в металлах и таких соединениях, так TiOq
Nb>O>, СеО зх и т. д.
Известно устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода, содержащее твердоэлектролитную гальваническую ячейку, состоящую из образца, твердоэлектролитного. тигля и электрода сравнения, выполненного из равномолярной смеси металл — окись металла, потенциометрические выводы и термопару, подсоединенные к измерительным приборам (1) .
К недостаткам этого устройства относится существенное увеличение погрешности измерения из-за взаимодействия образца с газовой средой и сильной поляризации электрода сравнения
20 при пропускании через ячейку постоянного тока, превышающего 100 мкА/см .
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерений коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, содержащее твердоэлектролитную таблетку для закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубки, установленной коаксиально внутри кислородного насоса, выполненного в виде твердоэлектролитной пробирки, снабженной дозироврчными и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещенного в металлическу1о трубку (2).
Недостатком этого устройства является то, что при токе выше 150 — 200 мкА/см поляз ризация может достигать 50 — 100 мВ, что приводит к значительному увеличению погрешности измерения. Этому же способствует отсутстствие контроля неионной составляющей элект- . ропроводности твердоэлектролитных таблеток.
Цель изобретения — повышение точности измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах.
Поставленная цепь достигается. тем, что устройство для измерения коэффициента
96658
3 диффузии кислорода в . металлах и окислах, содержащее твердоэлектролитную таблетку для закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубки, установленной коаксиально внутри кислородного насоса, выполненного в виде твердоэлектролитной пробирки, снабженной дозировочными и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещенного.в металлическую трубку, снабжено цир- 10 куляционным насосом и дополнительным кислородным насосом, образующими с основным кислородным насосом и металлической трубкой, замкнутый контур, в, стенках металлической трубки у ее торцов выполнены диффузионные отверстия.
На чертеже представлено устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, общий вид.
Устройство содержит два полых глухих 2о твердоэлектролитных пробирки 1 и -2, выполненных, например, из стабилизированной двуокиси циркония и имеющих дозировочные 3, 4, 5 и 6 и измерительные 7, 8, 9 и -10 электроды и являющихся кислородными насосами 11 25 и 12, которые образуют с помощью металлической трубки 13 и циркуляционного насоса 14 замкнутый контур. Трубка 13 соединена с основаниями 15 и 16 насосов 11 и 12 через сильфоны 17 и 18 и пружины 19 и 20, которые511 обеспечивают соответственно герметизацию соединения трубки с насосами и надежный контакт внутренних измерительных электродов
8 и 10, выполненных в виде сужающихся твердоэлектролитных тел, и имею|цих пористые металлические слои 21 и 22, с внутренней поверхностью дна пробирки 1 и 2. На одном торце трубки 13 закреплена твердоэлектролитная таблетка 23 с исследуемым образцом 24, свободной поверхности которого касается измерительный электрод 8, а на другом торце закреплен измерительный электрод 10. Для заполнения системы инертным газом служит вентиль 25. Потенциометрические выводы 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 и 36 соответственно гальванической ячейки, содержащей исследуемый образец. 24, измерительных и дозировочных электродов насосов 11 и 12, подсоединенное к измерительным приборам 37, 38, 39, 40, 41 и 42 и соответствующим источникам постоянного тока. Температура гальванической ячейки, содержащей образец 24, и кислородных насосов 11 и 12 поддерживается на заданном уровне с помощью электрических нагревателей 43 и 44 и термопар 30 — 45 и
39 — 46. Вблизи торцов трубки 13 имеется сис55 тема диффузионных отверстий 47 и 48, диаметры которых в 3 — 5 раз меньше толщины стенки трубки, а оси отверстий направлены
1 4 на пористые металлические слои 49 и 22 соответственно электролитной таблетки 23 и электрода 10, что позволяет направить весь газ на пористое покрытие. Исследуемый образец 24 одним торцом соединен с твердоэлектролитной таблеткой 23, а на свободном торце имеет кольцеобразный металлический слой 50, внутри которого расположена одна из вершин измерительного электрода в виде сужающегося твердоэлектролитного тела 8.
Устройство работает следующим образом.
Исследуемый образец 24 соединяют с твердоэлектролитной таблеткой 23, например, путем диффузионной сварки, наносят на свободный торец образца кольцеобразный металлический .слой SO, устанавливают сборку 23 — 24 — 8 на торец трубки 13, систему герметизируют и заполняют инертным газом. После чего нагревают пробирки 1 и 2 с помощью нагревателей
43 и 44 до рабочей температуры, лежащей в интервале 90Q — 1800 К, включают циркуляциок. ный насос 14 и прикладывают напряжение к, дозировочным электродам 3 и 4 и 5 и 6 такой величины, чтобы значение ЭДС на выводах
26 — 27, т. е. ЕЗ7 было вблизи нулевого значе-. ния, что соответствует установлению равновесия между исследуемым образцом и газовой средой, т. е. Р0 равно РОПт а по величине овр
ЭДС Еэ, которая равна в этих условиях Е41, определяют концентрацию кислорода в исследуемом образце С . Затем к выводам 27 — 28 прикладывают напряже.".ие величиной 50—
100 мВ, тем самым изменяют концентрацию
t кислорода С на поверхности раздела образец— о электролит и измеряют сину тока Зэ8, проте— кающего через гальваническую ячейку 50 — 24—
23 — 49, и также величину изменения силы тока
342, протекающего через дозировочные электроды
5 — 6, обусловленное поступлением (или удалением) кислорода во внутреннее пространство трубки 13. При этом величину тока 3, изменяют настолько, чтобы величина ЭДС Еэд сохранилась неизменной в течение всего экспериь мента. Величину изменения тока Д4г 34 ) сравнивают с величиной тока 3э, определяют неионную составляющую проводимости .твердоэлектролитной таблетки 23, находят значение ионного тока и по уравнению Коттрела
2 5(Со- Со) (м
I где 3 — сила ионного тока, протекающего через гальваническую ячейку;
F — постоянная Фарадея;
D — коэффициент химической диффузии кислорода;
С, (— начальная и конечная концентрация кислорода в исследуемом образце; — время;
S — площадь поверхности раздела электролит-образец„ — первый корень функции Бесселя нулевого порядка, находят коэффициент диффузии кислорода в исследуемом образце.
Устройство позволяет измерять коэффициент диффузии кислорода в металлах и окислах в интервале значений 10 4 — 10 м /с в температурном диапазоне 900 — 1800 К с погрешностью 5 — 8%.
966581 d и измерительными электродами, и газообразного электрода сравнения, помещенного в металлическую трубку, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено циркуляционньтм насосом и дополнительным кислородным насосом, образующими с основным кислородным насосом и металлической трубкой замкнутый контур, в стенках металлической трубки у ее торцов
1О выполнены диффузионные отверстия.
Формула изобретения
13
Устройство для измерения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, содержащее твердоэлектролитную таблетку.для закрепления на ней исследуемого образца, расположенную на торце металлической трубки, эп устанавленной коаксиально внутри кислородного насоса, выполненного в виде твердоэлектролитной пробирки, снабженной дозировочными .
Источники информации, принятые во.внимание при экспертизе
1. Stee1e В. S. and Riccardi С. С. Mea—
suments of Chemica1 diffusion соеН с!апта in
,non — stexiometrica oxides using so1id state
e1ectrochemica1 technica, London, "Мeta11urguca1 Chemistry", 1972, рр. 123 — 135.
-2. Pastoreh R. 1. and Rapp Я. А. The
so1ibi1ity and diffusivity of oxident in so1id
copper from e1ectrochemica1 measument, "Transactions of the Meta11urgica1 Society of AIME, 245, (1969), рр. 1711 †17.