ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАСТВОРЕННОГО ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно - к электрохимическим датчикам для определения концентрации растворенного газа, преимущественно кислорода.

Известна полярографическая ячейка [1], содержащая корпус с расположенной внутри него камерой с электролитом, электроды, размещенные внутри указанной камеры, гибкую полимерную селективно-проницаемую мембрану и канал, сообщающий камеру, заполненную электролитом, с внешней поверхностью корпуса.

Полярографическая ячейка снабжена также средством для компенсации разности давлений в исследуемой среде и электролите ячейки, выполненным в виде чувствительной к изменениям давления, непроницаемой для электролита, гибкой перегородки, перекрывающей упомянутый канал, сообщающий электролитную камеру со средой.

Данное устройство характеризуется сложностью конструктивного выполнения узла компенсации давления, включающего профилированную вставку, ввинчивающуюся в резьбовое отверстие, выполненное в боковой стенке корпуса, и тонкую мембрану (перегородку), обладающую повышенной чувствительностью к изменению давления.

Известен также электрохимический датчик кислорода [2], снабженный средством для уравновешивания давления по обе стороны газопроницаемой мембраны, выполненным в виде эластичной мембраны батикомпенсации, закрывающей размещенную в изоляторе камеру для электролита, сообщенную посредством капиллярных каналов с приэлектродным объемом электролита.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции, сборки датчика и низкую надежность в работе. В датчике не предусмотрена компенсация температурного расширения электролита.

Наиболее близким к заявляемому электрохимическому датчику по совокупности существенных признаков является датчик растворенного кислорода [3].

Известный датчик содержит корпус, заполненный электролитом, в котором размещены анод, катод и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента, подвижно установленного относительно корпуса датчика, закрепленного в его торцовой части накидной гайкой. Газопроницаемая мембрана закреплена на рабочей поверхности катода, выполненного профилированным и с рисками на рабочей поверхности.

Недостатками данного устройства являются усложненность конструкции датчика, содержащей большое число элементов, сложность и высокая трудоемкость изготовления и сборки датчика, низкая надежность в работе.

Компенсация изменений давления и температуры осуществляется протоком электролита через ячейку с помощью внешнего побудителя расхода электролита, что также усложняет проведение электрохимических исследований, особенно в полевых условиях.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции датчика, повышение удобства в эксплуатации и надежности в работе.

Указанный технический результат достигается тем, что электрохимический датчик растворенного газа, преимущественно кислорода, содержащий цилиндрический полый корпус, камеру для электролита, в которой размещены анод и катод, газопроницаемую мембрану и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента, согласно изобретению, снабжен цилиндрическим трубчатым двухступенчатым элементом, охватывающим большим диаметром наружную поверхность конца цилиндрического полого корпуса, а компенсатор давления выполнен в виде цилиндрического кожуха, закрепленного на наружной поверхности ступени меньшего диаметра цилиндрического трубчатого элемента, при этом к свободному торцу цилиндрического кожуха приклеена газопроницаемая мембрана, а внутренняя полость кожуха служит камерой для электролита.

В предпочтительном варианте выполнения коэффициент температурного расширения материала, из которого выполнен цилиндрический кожух, выбирается из условия обеспечения примерного равенства температурных изменений объемов электролита и внутренней полости цилиндрического кожуха.

Кроме того, материал цилиндрического кожуха выполнен прозрачным в видимом диапазоне спектра.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет максимально упростить конструкцию датчика, повысить его надежность и удобство в эксплуатации.

Охарактеризованное указанными выше существенными признаками изобретение на дату подачи заявки не известно в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".

Изобретение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".

Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого изобретения, характеризующие форму выполнения компенсатора давления и температуры, а также связи его с корпусом датчика и газопроницаемой мембраной, в связи с чем можно сделать вывод о соответствии данного технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид предлагаемого электрохимического датчика растворенного газа, продольный разрез.

Датчик содержит цилиндрический полый корпус 1, на конце которого закреплен ступенью большего диаметра цилиндрический трубчатый двухступенчатый элемент 2.

Датчик снабжен компенсатором давления, выполненным в виде цилиндрического кожуха 3 из эластичного (резиноподобного) материала, закрепленного на наружной поверхности ступени меньшего диаметра цилиндрического трубчатого элемента 2.

К свободному торцу цилиндрического кожуха 3 приклеена газопроницаемая мембрана 4.

Внутренняя полость 5 цилиндрического кожуха 3, выполненного из прозрачного в видимом диапазоне спектра материала, служит камерой для электролита, в которой размещены анод 6 и контактирующий с мембраной 4 катод 7, смонтированные на стеклянном изоляторе 8. Анод 6 и катод 7 посредством проводников подключены к вторичному измерительному прибору (на чертеже не показан).

Коэффициент температурного расширения материала, из которого выполнен цилиндрический кожух 3, выбирается из условия обеспечения приблизительного равенства температурных изменений объемов электролита и внутренней полости кожуха.

Материал компенсатора давления (цилиндрический кожух 3) должен иметь достаточную механическую прочность для того, чтобы конструкция камеры для электролита была максимально простой (не требовала дополнительных несущих элементов), а также хорошо склеиваться с материалом мембраны для того, чтобы камера для электролита могла быть выполнена в виде единой простой конструкции компенсатора с газопроницаемой мембраной.

Электрохимический датчик работает следующим образом.

Кислород (или другой растворенный газ) из контролируемой среды диффундирует через газопроницаемую мембрану 4 и тонкий слой электролита к рабочей поверхности катода 7, где происходит его электрохимическое восстановление.

Возникающий в результате этого электрический ток регистрируется измерительным прибором (на чертеже не показан).

По величине тока судят о концентрации растворенного кислорода.

Благодаря тому, что цилиндрический кожух 3 выполнен из эластичного (резиноподобного) материала, избыточное внешнее давление контролируемой среды передается через стенки кожуха в его внутреннюю полость 5 (камеру для электролита), при этом сила прижатия мембраны 4 к катоду 7 остается постоянной и не зависящей от внешнего давления.

Температурное расширение электролита компенсируется температурным расширением кожуха, благодаря чему давление внутри камеры для электролита остается постоянным при изменении температуры, что также повышает точность измерения. Оптимальный результат достигается применением материала, из которого выполнен цилиндрический кожух 3, коэффициент температурного расширения которого выбирается из условия обеспечения приблизительного равенства температурных изменений объемов электролита и внутренней полости кожуха.

Использование заявляемого технического решения позволяет значительно упростить конструкцию датчика за счет исключения внешнего устройства - побудителя расхода электролита и существенного сокращения количества деталей узлов крепления компенсатора давления и электродной системы.

Предлагаемая конструкция датчика позволяет минимизировать его диаметр, что особенно важно при проведении измерений в узкогорлых колбах БПК (биохимического потребления кислорода).

Единая моноблочная конструкция "кожух-мембрана" значительно повышает удобство в эксплуатации за счет возможности быстрой смены электролита и замены газопроницаемой мембраны, а также обеспечивает повышенную герметичность датчика.

Выполнение кожуха из прозрачного материала обеспечивает визуальный контроль за состоянием электродной системы и электролита.

В предлагаемой конструкции датчика отсутствуют труднопромываемые полости (застойные зоны), что позволяет минимизировать возможное влияние загрязнений, вносимым самим датчиком, а следовательно, уменьшить погрешность измерений.

Датчик обеспечивает возможность работы при избыточном давлении контролируемой среды до 0,2 МПа (2 атм) и в температурном диапазоне от 0 до 70^oС.

Источники информации
1. Патент США 3577332, МПК G 01 N 27/46, опубл. 1971 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1062589, МПК G 01 N 27/46, опубл. 1983 г.

3. Авторское свидетельство СССР 1193561, МПК G 01 N 27/28, опубл. 1985 г. - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к электрохимическим датчикам для определения концентрации растворенного газа, преимущественно кислорода. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции датчика, повышение удобства в эксплуатации и надежности в работе. Сущность: электрохимический датчик растворенного газа, преимущественно кислорода, содержит цилиндрический полый корпус, камеру для электролита, в которой размещены анод и катод, газопроницаемую мембрану и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента. Датчик снабжен цилиндрическим трубчатым двухступенчатым элементом, охватывающим большим диаметром наружную поверхность конца цилиндрического полого корпуса, а компенсатор давления выполнен в виде цилиндрического кожуха, закрепленного на наружной поверхности ступени меньшего диаметра цилиндрического трубчатого элемента, при этом к свободному торцу цилиндрического кожуха приклеена газопроницаемая мембрана, а внутренняя полость кожуха служит камерой для электролита. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрохимический датчик растворенного газа, преимущественно кислорода, содержащий цилиндрический полый корпус, камеру для электролита, в которой размещены анод и катод, газопроницаемую мембрану и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрическим трубчатым двухступенчатым элементом, охватывающим большим диаметром наружную поверхность конца цилиндрического полого корпуса, а компенсатор давления выполнен в виде цилиндрического кожуха, закрепленного на наружной поверхности ступени меньшего диаметра цилиндрического трубчатого элемента, при этом к свободному торцу цилиндрического кожуха приклеена газопроницаемая мембрана, а внутренняя полость кожуха служит камерой для электролита. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент температурного расширения материала, из которого выполнен цилиндрический кожух, выбирается из условия обеспечения примерного равенства температурных изменений объемов электролита и внутренней полости цилиндрического кожуха. 3. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что материал цилиндрического кожуха выполнен прозрачным в видимом диапазоне спектра.