ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК АЭРОИОНОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/413 

Изобретение относится к аэрофизике и может быть применено в приборах для анализа газов, атмосферного воздуха, при измерении таких характеристик, как концентрация положительных и отрицательных аэроионов в животноводческих помещениях, овоще и плодохранилищах.

Известны различные приборы для измерения концентрации аэроионов (а.с. СССР N 375712, 524107, 586514 и др), содержащие собирающий электрод, аспирационный конденсатор. Принцип их действия основан на направлении аэроионов на собирающий электрод в аспирационном конденсаторе и последующем измерении силы тока через этот электрод.

Основным недостатком известных счетчиков ионов являются ограниченная чувствительность измерения, чувствительность к загрязнению воздуха, повышенной влажности.

Известен счетчик ионов типа САИ-ТГУ-65 М (Ученые записки Тартуского Государственного университета, вып. 195, 1967, с. 184), содержащий измерительную камеру, источник напряжения и регистрирующий прибор. Работа этого счетчика основана на том, что исследуемый воздух продувается через аспирационный конденсатор, на обкладки которого подается постоянное напряжение. Одна из обкладок соединена со входом электрометра.

Чувствительность счетчика ионов ограничивается как шумами электрических элементов электрометра, так и паразитными токами изоляторов конденсатора. Постоянное напряжение, подаваемое на конденсатор, должно быть хорошо стабилизировано.

Известны ртутно-капиллярные кулометры, являющиеся интегрирующими приборами, с временем интегрирования от 10² до 10⁷с с непрерывным и дискретным считыванием показания.

Простейшим по конструкции ртутно-капиллярным кулометром является двухэлектродный с постоянным по длине внутренним диаметром капилляра и визуальным считыванием информации.

(Трейер В.В. Электрохимические приборы. - М.: Советское радио, 1978).

Капилляр с концов заполняется ртутью, в средняя часть капилляра - электролитом, например водным раствором йодистой ртути (HgI₂) с добавлением йодистого калия (KI) или йодистого лития (LiI)
В концы капилляра для контакта со ртутью вводятся электроды, а затем вся система герметизируется.

При прохождении через ртутно-капиллярный кулометр электрического тока между ртутью и электролитом происходит следующие реакции: на аноде - окисление ртути и образование ее комплекса
4I + Hg ---> HgI^2- ₄ + 2e
на катоде - разрушение комплекса и восстановление его до металлической ртути
HgI^2- ₄ + 2e ---> Hg + 4 I^-
В результате протекания электрохимических реакций концентрация компонентов электролита сохраняется неизменной, а ртути переносится в соответствии с законами электролиза Фарадея с анода на катод. Это приводит к перемещению капли электролита по длине стеклянного капилляра. Величина смещения капли электролита, отсчитываемая по правому или левому мениску, пропорциональна интегралу тока по времени и может быть выражена следующим образом

где c = 4M/nγπd²F - постоянная кулометра;
M,γ,n - молекулярный вес, плотность и валентность ртути соответственно;
F - число Фарадея;
d - внутренний диаметр капилляра;
I - ток;
t_U - время интегрирования, т.е. прохождения тока.

Вышеописанный ртутно-капиллярный кулометр взят автором за прототип.

Задачей технического решения является повышение чувствительности счетчика, к величине его надежности и ликвидации паразитных электрических шумов.

Задача достигается тем, что в счетчике, состоящем из регистрирующего прибора, измерительной камеры с пластинчатыми электродами для прохождения потока аэроионов, пластинчатые электроды расположены между полюсами постоянного магнита так, что нормаль к пластинчатым электродам, вектор скорости потока аэроионов и вектор магнитной индукции постоянных магнитов взаимно перпендикулярны.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструкция электрохимического счетчика аэроионов, а на фиг. 2 - расположение собирающих пластин и колец Гельмгольца.

Электрический счетчик аэроионов содержит собирающие пластинчатые электроды 1, которые расположены внутри электромагнита или катушек Гельмгольца 2 (фиг. 1 и 2). Электроды 1 через контактные выводы 3 соединены со ртутью 4, которая заполняет концы капилляра 5, а средняя часть капилляра 5 заполняется электролитом 6, например водным раствором йодистой ртути (HgI₂ ) с добавлением йодистого калия (KI). Для крепления электродов 1 и герметизации капилляра 5 применен герметизирующий компаунд 7. Контактные выводы 3 соединены заземляющими ключами 8 и 9, которые служат для определения концентрации аэроионов 10.

Электрохимический счетчик аэроионов работает следующим образом. Воздух, содержащий положительные и отрицательные ионы, с помощью вентилятора (на фиг. 1 не показан) подается между пластинчатыми электродами 1. Магнитное поле постоянной напряженности, создаваемое электромагнитном или кольцами Гельмгольца 2, отклоняет заряженные положительно и отрицательно аэроионы 10 на пластинчатые электроды 1.

При разомкнутом заземляющих ключах 8 и 9 весь электрический ток будет проникать через кулометр, т. е. через электроды 3, ртуть 4, находящуюся в капилляре 5, и электролит 6. Для крепления электродов 3 и герметизации капилляра применен герметизирующий компаунд 7. Таким образом, пластинчатые электроды с отдавшими им свой заряд положительными и отрицательными аэроионами будут играть роль источника тока.

В результате протекания электрического тока и возникающих в ртути 4 и электролите 6 электрохимических реакций ртуть будет переносится с анода на катод. Это приведет к перемещению капли электролита по длине капилляра на расстояние, пропорциональное величине тока и времени его протекания, то есть пропорционально за одно и то же время концентрации положительных и отрицательных аэроионов.

В том случае, когда необходимо определить концентрацию аэроионов лишь одного знака, пластинчатый электрод 1 закорачивается на землю ключом 8 или 9. Например, при определении концентрации отрицательных ионов закорачивается ключ 9, а положительных - 8.

Преимущество заявленного технического решения заключается в том, что электрохимические счетчики аэроионов потребляют в 5-20 раз меньше электроэнергии, чем счетчики другого типа.

Отсутствие подвижных частей и возможность изготовления пластинчатых электродов из коррозионостойких материалов обеспечивает лучшую, чем у счетчиков других типов, эксплуатационную надежность.

Электрохимический счетчик аэроионов имеет малые габариты (60 х 2 х 16 мм), прост по конструкции, удобен в эксплуатации и имеет невысокую стоимость.

Изготовленный опытный образец электрохимического счетчика аэроионов показал высокую точность и надежность при измерении концентрации аэроионов обоих знаков в атмосфере, загрязненной парами аммиака и углекислого газа.

Изобретение относится к аэрофизике и может быть применено в приборах для анализа газов, атмосферного воздуха при измерении таких характеристик, как концентрация положительных и отрицательных аэроионов в помещениях. Технический результат: повышение точности. В счетчике аэроионов пластинчатые электроды расположены между полюсами постоянного магнита так, что нормаль к пластинчатым электродам, вектор скорости потока аэроионов и вектор магнитной индукции постоянных магнитов взаимно перпендикулярны. 2 ил.

Счетчик аэроионов, содержащий регистрирующий прибор, выполненный из капилляра, средняя часть которого заполнена электролитом, а концы - ртутью, соединенной с электродами, отличающийся тем, что электроды выполнены пластинчатыми и расположены между полюсами постоянного магнита так, что нормаль к пластинам электродов, вектор скорости потока аэроинов и вектор магнитной индукции постоянного магнита взаимно перпендикулярны.