МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК Российский патент 2005 года по МПК G01N27/30 

Изобретение относится к электрохимическим анализаторам жидких и газовых сред.

Известен мембранный электрохимический датчик растворенного в воде кислорода, содержащий корпус, внутренний раствор, индикаторный электрод и разделительную мембрану. Мембрана непроницаема для молекул воды и ионов, но проницаема для газов, в частности кислорода. Она отделяет внутренний раствор датчика от анализируемой воды, но не препятствует проникновению в датчик кислорода, растворенного в этой воде. При работе датчика растворенный в анализируемой воде кислород диффундирует через разделительную мембрану внутрь датчика и электрохимически восстанавливается на индикаторном электроде. Внутренний раствор обеспечивает необходимые условия для восстановления кислорода (Авт. свидетельство СССР №524120 \Электрохимический датчик\).

Недостаток данного устройства состоит в том, что разделительная мембрана закреплена на корпусе датчика с помощью намоток из капроновых нитей. Данный способ крепления не позволяет осуществить постоянный и равномерный прижим мембраны ко всем участкам индикаторного электрода. В результате этого мембрана со временем отходит от индикаторного электрода, особенно при изменении температуры анализируемой воды, что существенно повышает погрешность измерений. Кроме того, разборка такого датчика, например, для замены электролита или мембраны занимает длительное время.

Наиболее близким к изобретению является мембранный электрохимический датчик (сенсор) растворенного в воде кислорода фирмы POLYMETRON, содержащий корпус с внутренним раствором (встроенный буфер), индикаторный (измерительный) электрод, разделительную мембрану и устройство крепления мембраны к корпусу (консол мембраны). Консол мембраны обеспечивает быструю разборку датчика при его ремонте или обслуживании (проспект фирмы POLYMETRON Zellweger USTER, с.15).

Недостатком данного устройства является то, что консол мембраны также не обеспечивает постоянный прижим мембраны к индикаторному электроду, особенно при колебаниях температуры анализируемой воды. Так, при температуре воды 50°С и выше данное устройство утрачивает работоспособность.

Кроме того, в данном устройстве можно использовать только плотные (беспористые) мембраны, не пропускающие воду. Применять микропористые мембраны в данном датчике нельзя, т.к. они способны пропускать воду. Анализируемая вода под действием осмотических сил будет проникать через микропористую мембрану в датчик. В результате этого повысится давление внутри датчика (осмотическое давление).

Под действием этого давления мембрана отделится от индикаторного электрода, что существенно увеличит погрешность измерений и инерционность датчика.

Техническая задача изобретения - повышение надежности работы устройства в широком интервале температур и обеспечение возможности применения в устройстве как плотных, так и микропористых мембран.

Техническая задача реализуется следующим образом. В мембранном электрохимическом датчике, включающем корпус с внутренним раствором, индикаторный электрод, разделительную мембрану и устройство крепления мембраны, между разделительной мембраной и устройством крепления мембраны установлен упругий элемент с отверстиями, внутренняя поверхность которого повторяет внешнюю поверхность индикаторного электрода, причем диаметр отверстий в упругом элементе должен превышать толщину разделительной мембраны не более чем в 200 раз.

Отверстия в упругом элементе могут быть произвольной формы, но размер отверстий по их минимальной оси не должен превышать толщину разделительной мембраны более чем в 200 раз.

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что разделительная мембрана прижимается к индикаторному электроду упругой плоской пластинкой с отверстиями (упругим элементом), а сам упругий элемент прижимается к индикаторному элементу и к корпусу датчика отдельным устройством, например накидной гайкой. Благодаря наличию упругого элемента мембрана равномерно прижимается ко всем участкам индикаторного электрода. Механические нагрузки, воздействующие на мембрану при изменении температуры анализируемой среды или возникающие при повышении осмотического давления внутри датчика, уже не отделяют мембрану от поверхности индикаторного электрода, т.к. они передаются на упругий элемент, который обладает достаточной механической прочностью. Благодаря наличию упругого элемента в предлагаемом датчике могут быть использованы как плотные, так и микропористые разделительные мембраны.

На чертеже представлена схема датчика.

Датчик включает корпус 1, в котором находится внутренний раствор 2 и закреплен индикаторный электрод 3 с отверстиями.

Разделительная мембрана 4 отделяет внутренний раствор 2 и индикаторный электрод 3 от анализируемой среды. Разделительная мембрана 4 прижата к индикаторному электроду 3 и корпусу 1 с помощью упругого элемента 5 с отверстиями. Накидная гайка 6 прижимает упругий элемент 5 к мембране 4. Для приведения датчика в рабочее состояние корпус 1 с закрепленным в нем индикаторным электродом 3 устанавливают в вертикальном положении индикаторным электродом 3 вверх. Через отверстия в электроде 3 заливают в корпус 1 раствор 2, например, с помощью пипетки до его появления на внешней поверхности электрода 3. На электрод 3 укладывают разделительную мембрану 4, затем укладывают упругий элемент 5 и прижимают упругий элемент 5 к корпусу 1 и мембране 4 накидной гайкой 6.

Датчик работает следующим образом.

Датчик, приведенный в рабочее состояние, помещают в анализируемую среду (жидкую или газообразную). Анализируемый компонент через отверстия в упругом элементе 5 поступает к разделительной мембране 4 и диффундирует через нее к индикаторному электроду 3, где в результате протекания электрохимических реакций происходит изменение либо потенциала электрода 3, либо изменяется ток, протекающий через электрод 3. Эти изменения тока или потенциала электрода 3 и являются информационным сигналом датчика.

Как показали экспериментальные исследования, количество и размер отверстий в индикаторном электроде 3 не имеют существенного значения. Они определяются конструктивными и технологическими требованиями: механической прочностью электрода 3, удобством заполнения раствором 2, простотой изготовления и др. Наиболее предпочтительными для индикаторного электрода 3 являются круглые отверстия диаметром от 0,5 до 2,0 мм. Суммарная площадь отверстий в упругом элементе 5 должна быть максимально большой, но не в ущерб механической прочности элемента 5. Толщина упругого элемента 5 должна быть минимальной, но также не в ущерб механической прочности. Для изготовления упругого элемента 5 могут быть использованы любые упругие и устойчивые в анализируемой среде материалы. Диаметр отверстий в упругом элементе 5 может превышать толщину разделительной мембраны 4 не более чем в 200 раз, в противном случае мембрана 4 под действием осмотического давления внутреннего раствора 2 прогибается внутри отверстия и отходит от индикаторного электрода 3. Это вызывает увеличение погрешности измерений. Форма отверстий в упругом элементе 5 существенного значения не имеет.

Однако размер отверстия по его минимальной оси не должен превышать толщину разделительной мембраны более чем в 200 раз. Внутренняя поверхность упругого элемента 5 должна повторять наружную поверхность индикаторного электрода 3, иначе элемент 5 не будет прижимать мембрану 4 ко всем участкам электрода 3. Это увеличивает погрешность измерений.

ПРИМЕР

Датчик для определения диоксида хлора в питьевой воде. Корпус 1 изготовлен из фторопласта. Внутренний раствор 2 - раствор соляной кислоты 100 г/л. Объем раствора 2 - 1,2 мл. Индикаторный электрод 3 - плоский графитовый диск диаметром 12 мм, толщиной 1,5 мм, имеющий 35 сквозных отверстий диаметром 0,8 мм. Разделительная мембрана 4 - пленка из микропористого фторопласта диаметром 16 мм, толщиной 0,02 мм. Упругий элемент 5 - плоский титановый диск диаметром 16 мм, толщиной 1,0 мм, имеющий 27 сквозных отверстий диаметром 1,2 мм. Упругий элемент 5 прижат к разделительной мембране 4 накидной гайкой 6 из фторопласта. Помимо указанных элементов датчик имеет известные элементы: соединительные провода, датчик температуры, сравнительный и вспомогательный электроды и др.

Датчик позволяет определять концентрацию диоксида хлора в воде от 0,05 до 10 мг/л с погрешностью не более 5% при температуре анализируемой воды до 80°С непрерывно в течение 30 суток. Время непрерывной работы данного датчика определяется количеством внутреннего раствора 2 и качеством уплотнения мембраны 4 в корпусе 1. Без упругого элемента 5 датчик сохраняет работоспособность только до температуры воды 45°С, время непрерывной работы не превышает 2 суток.

Использование: в электрохимических анализаторах жидких и газовых сред. Технический результат изобретения - повышение надежности работы устройства в широком интервале температур и обеспечение возможности применения в устройстве как плотных, так и микропористых мембран. Сущность изобретения: в мембранном электрохимическом датчике, включающем корпус с внутренним раствором, индикаторный электрод, разделительную мембрану и устройство крепления мембраны, между разделительной мембраной и устройством крепления мембраны установлен упругий элемент с отверстиями, внутренняя поверхность которого повторяет внешнюю поверхность индикаторного электрода, причем диаметр отверстий в упругом элементе превышает толщину разделительной мембраны не более чем в 200 раз. Отверстия в упругом элементе могут быть произвольной формы, но размер отверстий по их минимальной оси не должен превышать толщину разделительной мембраны более чем в 200 раз. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мембранный электрохимический датчик, включающий корпус с внутренним раствором, индикаторный электрод, разделительную мембрану и устройство крепления мембраны, отличающийся тем, что между разделительной мембраной и устройством крепления мембраны установлен упругий элемент с отверстиями, внутренняя поверхность которого повторяет внешнюю поверхность индикаторного электрода, причем диаметр отверстий в упругом элементе должен превышать толщину разделительной мембраны не более чем в 200 раз.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в упругом элементе могут быть произвольной формы, но размер отверстий по их минимальной оси не должен превышать толщину разделительной мембраны более чем в 200 раз.