ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01N27/30 

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано при исследовании природных вод и любых смесей, содержащих воду в открытых водоемах и скважинах на любой глубине (на дне водоемов, в вертикальных, наклонных, горизонтальных скважинах и даже в скважинах с отрицательным наклоном), регулировании технологических процессов, мониторинга, для прецизионных исследований ионных растворов, особенно при высоких давлениях и температурах в лабораторных условиях.

Известен электрод сравнения, содержащий корпус с отверстием для его заполнения, выполненным с возможностью герметизации, по крайней мере, одним жидкостным соединением, и расположенный внутри корпуса активный элемент, соединенный с электрическим вводом (Справочное руководство по применению ионселестивных электродов, Москва, “МИР”, 1986, стр.168). Через отверстие в корпусе электрода заливается внутренний раствор. Электрод с предварительно открытым отверстием погружается в исследуемую среду и внутренний раствор медленно вытекает в исследуемую среду через жидкостное соединение за счет разности уровней внутреннего раствора и исследуемой среды. Истечение внутреннего раствора играет важную роль, т.к. существенно снижает величину диффузионного потенциала, неизбежно возникающего на контакте двух жидких сред.

Этот электрод в совокупности с различными ионселективными электродами широко применяется в аналитической химии, регулировании технологических процессов и многих других областях, однако не может быть использован для измерений при высоких давлениях, например в трубопроводах, химических реакторах.

Известен электрод сравнения для работы при высоких давлениях (до 14 атмосфер) и высоких температурах, содержащий корпус с водяной рубашкой, имеющий отверстие для его заполнения внутренним раствором, выполненным с возможностью герметизации. Корпус имеет одно жидкостное соединение и расположенный внутри корпуса активный элемент, соединенный с электрическим вводом. Для достижения проточного жидкостного контакта при высоких давлениях используют внешние источники давления. [Бейтс Р., Определение рН. Теория и практика, Издательство “Химия”, Ленинградское отделение, 1972, стр.363].

Однако такой электрод сложен в изготовлении и требует особо точного поддержания разности давления между измеряемой средой и внутренним раствором электрода сравнения.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и процедуры измерений, повышения их точности и надежности при любых давлениях, включая сверхвысокие, с одновременным расширением области использования за счет возможности применения заявляемой конструкции в вертикальных, наклонных, горизонтальных скважинах и даже в скважинах с отрицательным наклоном.

Поставленная задача достигается за счет снабжения известного электрода сравнения, содержащего корпус с отверстием для его заполнения, выполненным с возможностью герметизации, и по крайней мере одним жидкостным соединением и расположенным внутри корпуса активным элементом, соединенным с электрическим вводом, вспомогательной емкостью, соединенной с корпусом электрода трубкой, один конец которой соединен с ближайшей к корпусу стороной вспомогательной емкости, а второй расположен на уровне отверстия для заполнения корпуса, причем во вспомогательной емкости со стороны, противоположной соединению с трубкой, выполнено отверстие.

Предлагаемая конструкция электрода сравнения позволяет осуществлять во время работы электрода сравнения истечение внутреннего раствора через жидкостное соединение в исследуемую среду за счет вытеснения его менее плотным веществом, не смешивающимся с внутренним раствором, по принципу сообщающихся сосудов в замкнутом объеме. Таким образом, в прототипе сила, вызывающая истечение внутреннего раствора, направлена вниз, а в предлагаемой конструкции - вверх.

Активный элемент может располагаться как непосредственно внутри корпуса электрода, так и в специальной емкости, содержащей собственное жидкостное соединение (двойной солевой контакт).

Вспомогательная емкость может отстоять от корпуса электрода на некотором расстоянии, что особенно удобно при использовании его в каротажных инструментах для исследования скважин с различными углами наклона или примыкать к корпусу электрода со стороны соединения ее с трубкой, например, при работе в лабораторных условиях, открытых водоемах или вертикальных скважинах.

Соединительная трубка может быть расположена с внешней стороны корпуса электрода сравнения, например, в сосудах высокого давления сложной формы или внутри корпуса, что наиболее практично.

Соединительная трубка может быть выполнена как из пластичного материала, что особенно удобно при проведении измерений в горизонтальных, наклонных скважинах, в донных осадках водоемов, так и жесткой.

Жидкостное соединение может быть направлено внутрь электрода, это приводит к уменьшению габаритных размеров электрода и препятствует его загрязнению менее плотным веществом, перетекающим из вспомогательной емкости, при больших, горизонтальных и даже отрицательных углах наклона.

Для удобства работы или при необходимости расположения в непосредственной близости от индикаторного электрода жидкостное соединение может быть вынесено за пределы корпуса электрода. Одним из вариантов такого выполнения может быть соединение его с корпусом электрода трубкой, проходящей через вспомогательную емкость, что позволяет в лабораторных условиях использовать в качестве менее плотного вещества во вспомогательной емкости воздух или любой инертный, по отношению к внутреннему раствору и активному элементу, газ и тем самым при необходимости уменьшить глубину погружения электрода в исследуемую среду.

Для использования электрода при больших углах наклона при работе в скважинах или на дне водоема он может содержать несколько жидкостных соединений, расположенных на одном или разных уровнях.

Жидкостное соединение может быть выполнено в виде фритты в стекле (наиболее удобный вариант), асбестовой или стеклянной нити, капилляра, палладиевого кольца, стеклянного шлифа, тефлонового фильтра или деревянной пробки.

В случае заполнения вспомогательной емкости жидкостью в ее отверстии может быть расположен затвор, препятствующий свободному вытеканию этой жидкости, например водяной затвор или фильтр с проницаемостью, намного превышающей проницаемость жидкостного соединения или соединений.

На Фиг.1-5 дан общий вид (в разрезе) вариантов выполнения электродов сравнения.

На Фиг.1-4 показано расположение электрода сравнения в вертикальном положении. На Фиг.5 показано расположение электрода сравнения внутри каротажного инструмента, находящегося в горизонтальном положении.

Электрод сравнения состоит из корпуса 1 с отверстием 2 для его заполнения, выполненным с возможностью герметизации, и, по крайней мере, одним жидкостным соединением 3. Внутри корпуса 1 расположен активный элемент 4, соединенный с электрическим вводом 5. Вспомогательная емкость 6 соединена с корпусом 1 электрода трубкой 7, один конец которой соединен с ближайшей к корпусу 1 стороной вспомогательной емкости 6, а второй расположен на уровне отверстия 2 для заполнения корпуса 1.

На Фиг.1, 2, 3 вспомогательная емкость 6 примыкает к корпусу 1 электрода, а на Фиг.4, 5 отстоит от него. На Фиг.1-2 соединительная трубка 7 расположена внутри корпуса 1 электрода, на Фиг.3 - с его внешней стороны, а на Фиг.4, 5 заходит внутрь корпуса 1, причем наружная часть выполнена из пластичного материала. Во вспомогательной емкости 6 со стороны, противоположной соединению с трубкой 7, выполнено отверстие 8, в котором может быть расположен водяной затвор 9 (Фиг.2, 4, 5) или фильтр 10 (Фиг.3). Жидкостное соединение 3 может быть направлено внутрь корпуса 1 электрода (Фиг.1, 3, 4, 5) или вынесено за пределы корпуса 1, например, с помощью трубки 11 (Фиг.2, 3), которая может проходить через вспомогательную емкость 6 (Фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

В отверстие 2 корпуса электрода 1 с активным элементом 4 при помощи шприца с тонкой эластичной трубкой вместо иглы заливается внутренний раствор до верхнего уровня трубки 7, после чего отверстие для заполнения 2 герметизируется. В таком варианте (Фиг.2) электрод сравнения удобен для применения как при нормальном, так и высоком давлении. Менее плотной средой во вспомогательной емкости является воздух. Перед погружением электрода в исследуемую среду отверстие 8 во вспомогательной емкости должно быть открыто. Давление столба исследуемого раствора (глубина, на которую погружен электрод) в замкнутом объеме электрода предается через воздух на внутренний раствор, который через жидкостное соединение 3 вытекает в исследуемую среду.

В качестве менее плотного, чем внутренний раствор, вещества может быть использовано, например, масло (керосин, бензин, рыбий жир и др.). В этом случае после заполнения электрода внутренним раствором согласно вышеописанной процедуре отверстие 8 закрывается и при помощи шприца с тонкой эластичной трубкой вместо иглы, пропущенной через отверстие 2 и трубку 7 во вспомогательную емкость 6, проводится заполнение маслом всего оставшегося свободным внутреннего объема. После чего отверстие 2 герметизируется. В таком состоянии электрод является “полностью заряженным”.

Заряженный электрод с открытым отверстием 8 может работать при любом давлении и плотности измеряемой среды. Более легкое вещество из вспомогательной емкости 6 будет самопроизвольно при помещении электрода в измеряемую среду перетекать в корпус электрода 1, замещая внутренний раствор, который вытекает в измеряемую среду. При условии, что объем более легкого вещества больше объема внутреннего раствора, электрод прекратит работу, когда активный элемент 4 потеряет электрический контакт с внутренним раствором. При расположении элетрода в горизонтальном положении (Фиг.5) трубка 7, выполненная из эластичного материала, позволяет вспомогательной емкости 6 занять нижнее положение под действием силы тяжести. В полностью заряженном электроде истечение внутреннего раствора из электрода сравнения прекратится, когда отрицательный наклон скважины достигнет угла, при котором угол α=0.

Электрод сравнения предлагаемой конструкции будет работать в любом положении при достаточной длине эластичной трубки 7 и свободном перемещении вспомогательной емкости 6 под действием силы тяжести.

Использование: в области аналитической химии при исследовании природных вод и любых смесей, содержащих воду, в открытых водоемах и скважинах на любой глубине (на дне водоемов, в вертикальных, наклонных, горизонтальных скважинах и даже в скважинах с отрицательным наклоном), регулировании технологических процессов, мониторинга, для прецизионных исследований ионных растворов, особенно при высоких давлениях и температурах в лабораторных условиях. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и процедуры измерений, повышение их точности и надежности при любых давлениях и температурах. Сущность изобретения: электрод сравнения состоит из корпуса с отверстием для его заполнения, выполненным с возможностью герметизации, и, по крайней мере, одним жидкостным соединением. Внутри корпуса расположен активный элемент, соединенный с электрическим вводом. Вспомогательная емкость соединена с корпусом электрода трубкой, один конец которой соединен с ближайшей к корпусу стороной вспомогательной емкости, а второй расположен на уровне отверстия для заполнения корпуса. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрод сравнения, содержащий корпус с отверстием для его заполнения, выполненным с возможностью герметизации, и по крайней мере, одним жидкостным соединением, и расположенный внутри корпуса активный элемент, соединенный с электрическим вводом, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вспомогательную емкость, соединенную с корпусом электрода трубкой, один конец которой соединен с ближайшей к корпусу стороной вспомогательной емкости, а второй расположен на уровне отверстия для заполнения корпуса, причем во вспомогательной емкости со стороны, противоположной соединению с трубкой, выполнено отверстие.2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что вспомогательная емкость примыкает к корпусу электрода со стороны соединения ее с трубкой.3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что вспомогательная емкость отстоит от корпуса электрода.4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что соединительная трубка расположена с внешней стороны корпуса.5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что соединительная трубка расположена внутри корпуса.6. Электрод по п.1, отличающийся тем, что соединительная трубка выполнена из пластичного материала.7. Электрод по п.1, отличающийся тем, что соединительная трубка выполнена жесткой.8. Электрод по п.1, отличающийся тем, что жидкостное соединение направлено внутрь корпуса электрода.9. Электрод по п.1, отличающийся тем, что жидкостное соединение вынесено за пределы корпуса электрода.10. Электрод по п.8, отличающийся тем, что жидкостное соединение вынесено за пределы корпуса электрода с помощью трубки, проходящей через вспомогательную емкость.11. Электрод по п.1, отличающийся тем, что для использования электрода при больших углах наклона при работе в скважинах он содержит несколько жидкостных соединений, расположенных на одном или разных уровнях.12. Электрод по п.1, отличающийся тем, что в отверстии вспомогательной емкости расположен затвор, препятствующий свободному вытеканию жидкости.13. Электрод по п.13, отличающийся тем, что в отверстии вспомогательной емкости расположен водяной затвор.