ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2015 года по МПК G01N27/28 G01N27/48 

Изобретение относится к технике измерения содержания растворенного газа в жидких и газовых средах, предназначена в основном для применения в океанографической аппаратуре и может быть использовано в горной, химической прмышленности, в разных технологических и экологических системах измерения и контроля содержания растворенного газа в исследуемой среде.

Известен электрохимический датчик кислорода [1] полярографического типа, содержащий корпус, на торце стойки которого установлен катод. В корпусе выполнена камера, заполненная электролитом, в которой, расположен анод, инжектирующий заряды. Камера соединена с каналом подвода электролита к катоду и каналом отвода электролита, сообщенным с узлом барокомпенсации. Анод совмещен со стенкой камеры и выполнен в виде поверхности сферического сегмента, обращенного вогнутой стороной к катоду, который имеет в центре отверстие и сообщен с каналом подвода электролита. При этом катод, анод и каналы расположены соосно. От внешней среды катод и подводящий канал отделены селективной мембраной в форме круга, которая прижата к катоду и стойке корпуса колпачком с помощью накидной гайки.

Общими существенными признаками этого аналога и заявленного технического решения являются: анод и катод; заполненные электролитом камера с капилляром; сопряжение поверхности катода с прикатодной поверхностью датчика; селективно-проницаемая мембрана, которая прижата к катоду и капилляру крышкой (колпачком), связанной с накидной гайкой.

Датчик работает по принципу внутренней поляризации, то есть требуемый для восстановления молекул кислорода потенциал придается катоду при помощи анода, находящегося внутри электролитической камеры. Молекулы кислорода из исследуемой среды проникают через селективно-проницаемую мембрану и восстанавливаются на катоде до ионов ОН^-, которые, являясь носителями электрического тока, движутся под воздействием разности потенциалов между анодом и катодом по капилляру в электолитическую камеру. Таким образом, капилляр, обладающий малым поперечным сечением, определенной длиной, и заполненный заряженными частицами, количество которых зависит от проникающих через селективно-проницаемую мембрану молекул кислорода, является вместе с катодом чувствительным элементом [2], сопротивление которого зависит от количества в исследуемой среде растворенного кислорода.

Для того, чтобы исключить влияние сопротивления камеры с электролитом, электрически включенной последовательно с капилляром, современные электрохимические устройства строят по методу "фиксации напряжения" [3], согласно которому вместо одного электрода, поляризующего катод (то есть одного анода), применяют систему электродов - электрод для инжекции тока и эталонный электрод для поддержания напряжения в растворе вблизи рабочего электрода. Такая электродная система представляет собой анодную систему в применении, например, к измерительному каналу концентрации растворенного кислорода полярографического типа, например, описанного в [2].

Недостатком рассматриваемого датчика является следующее. Селективно-проницаемая мембрана при надевании крышки морщится, образуя складки, что приводит к нарушению герметичности электролитической камеры и, как следствие, к*ее отравлению и активному окислению катода, например, при зондировании сероводородной зоны Черного моря. Кроме того, простое прижатие мембраны к катоду крышкой не обеспечивает надежного прилегания мембраны. При увеличении слоя электролита между мембраной и катодом происходит скапливание информационных ионов непосредственно под мембраной, а не в капилляре, и длительное рассасывание их в капилляр, что приводит к увеличению показателя инерции и снижению чувствительности датчика и даже к утечке информационных ионов в складки, что приводит к неточному определению их количества, то есть к нестабильности чувствительности датчика. Для надежной работы датчика мембрана должна быть плотно натянута на катод, а соответствующих мер в данном техническом решении не предусмотрено.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является электрохимический газоанализатор [4], выбранный в качестве прототипа для каждого из технических решений, входящих в заявленную группу. Прототип содержит корпус с камерой, заполненной электролитом, а также катод и анод, поляризующий катод (или вместо одного анода - анодную систему из нескольких электродов, как, например, в [5]). Анод расположен в камере. Катод расположен на торце стойки, закрепленной на корпусе и составляющей с ним единое целое. Камера имеет капилляр, который обеспечивает непосредственный контакт катода с электролитом камеры. Этот капилляр вместе с катодом является чувствительным элементом газоанализатора. На стойке закреплена селективно-проницаемая мембрана, отделяющая катод и капилляр от внешней среды. Мембрана имеет форму круга, диаметр которого превышает диаметр торца стойки, и прижата к катоду и стойке с помощью двухслойной крышки, внутренний слой которой образован набухающей в воде пластмассой. Крышка соединена с накидной гайкой. При вращении гайки крышка опускается по стойке, образуя в зазоре между внутренним пластмассовым слоем крышки и стойкой складки. Путем взаимодействия с этими складками (трением) крышка осуществляет одновременное притягивание мембраны к катоду и капилляру и фиксирование ее в приэлектродной зоне стойки по замкнутой линии конической поверхностью пластмассового слоя.

Общими существенными признаками прототипа и заявленного решения являются: заполненные электролитом камера с капилляром; катод и анод (или анодная система), которые имеют контакт с электролитом; катод и капилляр отделены от внешней среды селективно-проницаемой мембраной в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии крышкой; крышка связана с накидной гайкой и выполнена в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне; поверхность катода сопряжена с прикатодной поверхностью газоанализатора.

Прототип обеспечивает стабильность крепления мембраны и разборки устройства, однако проблема натяжения мембраны решается с помощью подгонки. зазора между внутренним пластмассовым слоем крышки и боковой поверхностью стойки, где расположены складки мембраны. Подгонку зазора осуществляют под величину, описанную выражением

D+3δ<Φ≤D+6δ,

где D - диаметр цилиндрической стойки;

δ - толщина селективно-проницаемой мембраны;

Φ - диаметр внутренней цилиндрической поверхности крышки, образованной пластмассовым слоем.

Сборку прототипа осуществляют следующим образом. После заправки электролитической камеры (с обеспечением капельки электролита над капилляром) на торец стойки кладут мембрану. Двухслойную крышку надевают на торец стойки так, чтобы мембрана в зоне над катодом не образовала складок, и вращают накидную гайку. При этом мембрана в результате деформации крышкой складывается в зазоре между цилиндрической поверхностью стойки и внутренней цилиндрической поверхностью крышки. Созданные складки образуют как бы утолщение мембраны на величину 3δ. Коническая краевая часть крышки захватывает это утолщение, и в результате происходит натяжение мембраны на катод. Таким образом, за счет сил трения между пластмассовым слоем крышки и мембраной обеспечивается захват мембраны и ее прижатие к катоду. Заканчивается установка мембраны в устройство ее фиксацией к стойке конической придонной частью пластмассового слоя крышки.

Прототипу свойственны технические противоречия, обусловливающие его недостатки:

Во-первых, для нормальной работы устройства мембрана должна быть натянута на катод без складок. Однако это натягивание мембраны осуществляется именно путем создания ее складок - в зазоре между крышкой и стойкой. Такое штатное формирование необходимых складок в зазоре обусловливает вероятность появления и недопустимых складок - над катодом. Отметим, что обеспечение требуемого размера зазора не влечет за собой автоматического обеспечения отсутствия складок мембраны над катодом.

Во-вторых, техническое противоречие содержится и в требовании к фрикционным свойствам внутреннего пластмассового слоя крышки. Коэффициент трения этого слоя должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечить натяжение мембраны на прикатодную поверхность газоанализатора, так как это натяжение осуществляется трением путем захватывания мембраны пластмассовым слоем крышки. И одновременно, коэффициент трения этого пластмассового слоя должен быть достаточно низким, чтобы не допустить разрывов мембраны при ее натягивании (для этого даже рекомендовано смачивать пластмассовый слой водой).

Из-за перечисленных недостатков не всегда обеспечиваются главные измерительные параметры устройства - чувствительность и показатель инерции.

Недостатком является и наличие капилляров, которые образуют складки мембраны в зазоре между пластмассовым слоем крышки и стойкой. Как бы ни сжимала набухающая пластмасса складки мембраны, капилляры полностью не устраняются, поэтому необходимо контролировать герметичность устройства. Этот контроль осуществляется воздействием электрического потенциала на исследуемую среду - при отсутствии герметизации такое воздействие приводит к изменению выходного сигнала анализатора. Для обеспечения гарантированной герметизации прототипа необходимо принятие дополнительных мер по уплотнению мембраны в месте ее фиксации в прикатодной зоне.

Кроме того, при набухании пластмассового слоя сжатие материала мембраны в зазоре настолько велико, что, как отмечено в описании прототипа, следы клиновидных складок мембраны отпечатываются на пластмассовом слое. Из-за этого, во-первых, чтобы снять крышку и не поломать при этом стойку, необходимо использовать специальное приспособление, которое создает усилие на фланец крышки, направленное к катоду. Во-вторых, каждый раз при смене отработанной мембраны необходимо дорабатывать пластмассовый слой крышки - растачивать под необходимый диаметр. Осуществить эту подгонку зазора (то есть обеспечить требуемое формулой прототипа соотношение внутреннего диаметра крышки, диаметра стойки и толщины мембраны) достаточно сложно из-за микронных допусков, к тому же современные мембраны, обеспечивающие хорошую чувствительность, менее 8 мкм, имеют очень маленькую толщину. При неравномерности набухания пластмассы при смене отработанной мембраны необходимо также дорабатывать и фигурный профиль пластмассового слоя (конусность у дна крышки), фиксирующий мембрану в прикатодной зоне, что также сложно выполнить.

Сложно предпринять и дополнительные меры герметизации прототипа -уплотнить мембрану в месте ее фиксации.

". Как указано в описании, внутренний пластмассовый слой крышки может быть образован заливкой соответствующим компаундом. Но эта технология является долгой, так как требует две-три недели выдержки в дистиллированной воде уже готового устройства, и неудобной, и также требует доработки полимеризованного компаунда при перезаправке мембраны.

Таким образом, недостатками прототипа являются: весьма сложное обеспечение чувствительности и показателя инерции устройства, его герметичности, низкая технологичность изготовления устройства, а также большой расход материала мембраны.

В основу изобретения поставлена задача создания электрохимического газоанализатора, отличительные признаки которого обусловливают технический результат - упрощение обеспечения основных метрологических характеристик устройства - чувствительности и показателя инерции.

Дополнительным технически результатом изобретения является надежное обеспечение герметизации электролитической камеры и экономия материала мембраны.

Поставленная задача решается тем, что в заявленной группе изобретений, согласно первому варианту, в электрохимическом газоанализаторе, содержащем заполненные электролитом камеру с капилляром, а также катод и анод или анодную систему, которые имеют контакт с электролитом газоанализатора, при этом катод и капилляр отделены от внешней среды селективно-проницаемой мембраной в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии крышкой, которая соединена с накидной гайкой и выполнена в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, причем поверхность катода сопряжена с рабочей поверхностью газоанализатора, новым является то, что мембрана притянута дном крышки, при этом краевая часть мембраны зажата между дном крышки и размещенным в полости крышки уплотнительным кольцом с заданными модулем упругости и высотой.

Второй вариант изобретения отличается от первого тем, что крышка непосредственно не соединена с накидной гайкой, а связана с ней, и в месте взаимодействия с мембраной имеет низкий коэффициент трения, при этом новым в изобретении является то, что крышка подвижно соединена с размещенным в ее полости притягивающим элементом, который соединен с накидной гайкой и выполнен в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, мембрана притянута этим элементом, при этом краевая часть мембраны зажата между дном притягивающего элемента и размещенным в полости притягивающего элемента уплотнительным кольцом с заданными модулем упругости и высотой.

Третий вариант отличается от первого варианта тем, что новым в изобретении является: накидная гайка размещена в полости крышки и соединена с ней подвижно, в полости накидной гайки размещены уплотнительное кольцо с заданными модулем упругости и высотой и притягивающий элемент в виде шайбы, который установлен на дне накидной гайки и в месте взаимодействия с ней имеет низкий коэффициент трения, мембрана притянута этим элементом, при этом краевая часть мембраны зажата между притягивающим элементом и уплотнительным кольцом.

Согласно изобретению поверхность катода преимущественно выполнена сферовидной, а прикатодная поверхность газоанализатора - сферовидной или конической. Мембрана зафиксирована на прикатодной поверхности преимущественно ребром с сечением в форме неострого угла.

Отличия заявленного устройства относятся к особенностям захвата краевой части мембраны, притягивания мембраны к катоду и герметизации устройства. Захват и притягивание мембраны осуществляются путем зажатия ее краевой части, которая, в отличие от прототипа, " свободно расправлена и расположена между притягивающим элементом и уплотнительным кольцом. В изобретении не только не предусмотрено образование складок мембраны, но и приняты меры к предотвращению их. При этом уплотнительное кольцо имеет заданные модуль упругости и высоту, то позволяет приложить усилие, обеспечивающее не только надежный зажим краевой части мембраны при ее натягивании на прикатодную поверхность, но и позволяет нормировать растяжение мембраны - происходит изменение геометрии одной уплотнительной поверхности (мембраны-пленки) под действием другой уплотнительной поверхности (прикатодной поверхности газоанализатора), причем изменение высоты кольца равно изменению радиуса мембраны с момента ее растягивания. Традиционно применяемые уплотнительные кольца не выполняют такой функции и не используются по такому назначению, они лишь убирают зазор между уплотняемыми поверхностями, например, между фланцами. Совместное проявление этих двух свойств вновь введенного элемента устройства - уплотнительного кольца - усиливает надежность захвата краевой части мембраны при натягивании мембраны на катод - чем туже натягивание мембраны, тем сильнее захват ее краевой части. Помимо этого, в процессе натягивания мембраны кольцо осуществляет и свое прямое назначение - уплотняет, увеличивая гарантию герметизации электролитической камеры.

Изобретение поясняется с помощью фиг. 1-3, которые иллюстрируют соответственно 1-3 варианты заявленного изобретения. Электрохимический анализатор по первому варианту (фиг. 1) содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, выходящим на поверхность газоанализатора. Камера и капилляр заполнены электролитом. Устройство содержит анод 3 (или анодную систему), непосредственно контактирующий с электролитом камеры, и катод 4, который установлен на поверхности газоанализатора в зоне выхода капилляра. От внешней среды катод и капилляр отделяет селективно-проницаемая мембрана 5 в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора. Мембрана притянута и зафиксирована крышкой 6 в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, которая соединена с накидной гайкой 7. Мембрана притянута посредством своей краевой части, которая размещена между дном крышки и уплотнительным кольцом 8,. которое расположено в полости крышки и имеет заданные модуль упругости и толщину. Фиксирование мембраны обеспечивается крышкой по замкнутой линии ребром в форме неострого угла или поверхностью вращения, как в прототипе (конусообразной поверхностью пластмассового слоя). Проводники 9, 10 предназначены для съема выходного сигнала с анода 3 и катода 4. Количество проводников зависит от количества электродов в анодной системе. Проводники подключены к регистратору 11 выходного сигнала газоанализатора.

Устройство может содержать не один капилляр, а несколько, как в [2]. Конструкция катода может иметь различную форму - с одним (как изображено на фиг. 1-3) или несколькими отверстиями для подвода к нему электролита. Катод может быть выполнен сплошным, как в [2, 5], тогда подвод электролита осуществляется через отверстия или щель в прикатодной поверхности газоанализатора. Катод может быть выполнен перфорированным (сетчатым) и располагаться не только в торцевой части газоанализатора, но и, например, на его боковой поверхности, как в датчике кислорода Маккерета. Катод может быть установлен на вставке, как в устройстве [5], тогда капилляр представляет собой либо щель вокруг вставки, либо капиллярный слой, образованный мембраной и рабочей поверхностью между катодом и щелью. Прикатодная поверхность и сопряженная с ней поверхность катода могут быть выполнены, как в прототипе, плоскими. На фиг. 1-3 представлены примеры исполнения, в которых корпус газоанализатора (в котором выполнена камера 1 с капилляром 2) изготовлен из электроизоляционного материала, при этом анод 3 размещен в камере. Однако корпус газоанализатора может быть выполнен электропроводящим, в этом случае анодом является сам корпус, при этом катод электрически изолирован от корпуса-анода и контактирует с ним посредством электролита камеры и капилляра [5].

В основе работы предложенного газоанализатора лежит известный принцип действия преобразователей полярографического типа, в том числе и прототипа. Сущность изобретения поясняется с помощью технологии сборки заявленного устройства со ссылкой на фиг. 1.

На корпус газоанализатора устанавливают уплотнительное кольцо 8, причем высота уплотнительного кольца задана такой, чтобы верхняя его граница в несжатом состоянии находилась выше катода 4 и выхода капилляра 2. Электролит через капилляр заливают в камеру 1 так, чтобы внутри последней не было пузырьков, а пространство внутри уплотнительного кольца 8 было заполнено электролитом "с горкой". Затем сверху кладут селективно-проницаемую мембрану 5, при этом ее краевая часть в расправленном виде свободно ложится на уплотнительное кольцо 8. Устанавливают крышку 6 - кладут ее дно на краевую часть мембраны. Накидывают гайку 7 и начинают вращать ее, притягивая крышку и зажимая, тем самым, краевую часть мембраны между дном крышки и кольцом 8. Модуль упругости кольца задан (путем подбора) таким, чтобы в момент касания мембраны катода ее краевая часть была бы уже надежно захвачена между дном крышки и кольцом. После того, как мембрана коснется катода 4, она начинает вытягиваться, облегая катод и рабочую поверхность газоанализатора. Излишки электролита из-под мембраны выжмутся через капилляр 2 в электролитическую камеру 1. Так как газоанализатор предназначен в основном для применения в океанографической аппаратуре, давление будет скомпенсировано барокомпенсатором, например, как в [1]. Натягивание мембраны будет продолжаться до тех пор, пока крышка 6 не зафиксирует ее надежно на рабочей поверхности ребром. После этапа фиксации мембраны сборка устройства закончена.

В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве нормируется удержание мембраны с одновременной герметизацией электролитической камеры уже на первом этапе сборки, когда мембрана еще не деформирована, поэтому после надевания крышки складок мембраны нет.

Применение уплотнительных колец в электрохимических газоанализаторах известно. Например, описание прототипа содержит ссылку на амперометрический датчик кислорода, содержащий резиновое уплотнителъное кольцо круглого сечения. Однако в этом амперометрическом датчике кольцо и проточка служат для уплотнения и фиксации селективно-проницаемой мембраны одновременно, что резко сужает температурный диапазон эксплуатации датчика, например, на солнце в полевых условиях. Датчик выходит из строя и в результате надо перезапрявлятъ мембрану и переградуировать прибор. Это связано с тем, что часть жидкости, оставшаяся между резиновым уплотнительным кольцом, мембраной и рабочей поверхностью датчика, при нагревании расширяется и приподнимает мембрану над катодом, что приводит к падению чувствительности прибора - часть восстановленных молекул кислорода просто не попадает в капилляр, оставаясь под мембраной.

При градуировке и поверке измерительных каналов растворенного в воде кислорода его значение в воде задают, используя уравнение Вейса при длительном барботировании, задавая в термостате температуру от 6-7°С до максимально возможной [6]. В методике периодической поверки измерителей кислорода, утвержденной Всесоюзным научно- исследовательским институтом автоматизации средств метрологии [7], и в инструкции по поверке этих измерителей, утвержденной Морским гидрофизическим институтом НАН Украины [8], нагрев предусматривают только до 28-30°С, не выше, а для исследования среды в южных водоемах без дополнительных мер температурной компенсации или барозагдиты измерительные каналы растворенного в воде кислорода вообще применять нельзя. Поэтому в прототипе для предотвращения отлипания от катода мембрана фиксируется в непосредственной близости у него.

В прототипе мембрана стабильно фиксируется, но недостаточно уплотняется из-за наличия складок и отсутствия прямых мер к уплотнению, что приводит к необходимости неоднократной дозаправки газоанализатора электролитом в процессе его эксплуатации, усложняя технологию обслуживания.

В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве процессы захвата мембраны и уплотнения камеры совмещены, причем натяжение мембраны сопровождается усилением ее прижатия к уплотнительному кольцу. Это гарантирует герметизацию устройства.

В реальных условиях, особенно при исследовании водоемов, содержащих сильно окисляющие вещества, как сероводород, например, при исследовании гидрохимических параметров Черного моря, проблеме герметизации подобных анализаторов необходимо уделять особое внимание, иначе электролит в камере загрязнится и электроды просто окислятся - прибор выйдет из строя. По этой причине желательно проверить герметизацию камеры уже на первых этапах сборки газоанализатора - качество уплотнительного кольца, целостность мембраны, и принять меры еще до начала этапа фиксации пленки-мембраны. Обычно это делается воздействием электрического тока на анализируемую среду, наблюдая за выходным сигналом газоанализатора - есть ли электрическая утечка в статике. Если электрической утечки нет, то газоанализатор считают герметичным и можно фиксировать мембрану, если нет - следует либо подтянуть накидную гайку, либо заменить уплотнитель, либо заменить мембрану. Заявленное устройство позволяет реализовывать эти технологические приемы легко и в полной мере.

Второй вариант изобретения (фиг. 2) отличается от первого тем, что функции притягивания мембраны и ее фиксации выполняют разные элементы. Как и по первому варианту, электрохимический газоанализатор содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, анод 3, катод 4, селективно-проницаемую мембрану 5 и крышку 6, фиксирующую мембрану на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии. При этом в месте взаимодействия с мембраной крышка имеет низкий коэффициент трения. Уменьшение трения в месте фиксирования мембраны крышкой может быть достигнуто, например, полировкой крышки до необходимой чистоты поверхности или смазкой крышки с последующим удалением смазки с мембраны после сборки устройства. Устройство содержит накидную гайку 7. В полости крышки 6 размещен вновь введенный притягивающий элемент 8 в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне. Крышка 6 и притягивающий элемент 8 соединены подвижно. Это соединение может быть реализовано по-разному: прямым надеванием крышки на притягивающий элемент с подпружиниванием и защелкиванием, или это может быть байонетное соединение, резьбовое и т.п. В изобретении применено резьбовое соединение. Накидная гайка 7 соединена с притягивающим элементом 8. В полости элемента 8 расположено унлотнительное кольцо 9 с заданными модулем упругости и высотой. Мембрана 5 притянута к катоду и капилляру элементом 8 посредством гайки 7 за счет того, что краевая часть мембраны зажата между дном притягивающего элемента и уплотнительным кольцом 9, которое имеет повышенный диапазон сжимаемости. Проводники 10, 11 снимают выходной сигнал с анодной системы и катода и подключены к регистратору 12 выходного сигнала газоанализатора.

Устройство собирают следующим образом. На уплотнителъное кольцо 9, на котором свободно размещена краевая часть мембраны 5, устанавливают дно притягивающего элемента 8. Устанавливают накидную гайку 7 и вращают ее, осуществляя процесс герметизации электролитической камеры с капилляром. При дальнейшем закручивании накидной гайки происходит притягивание мембраны к прикатодной поверхности газоанализатора. Мембрана натягивается на катод. Осуществляют контроль электрической утечки по вышеизложенному методу электронной проверки мембраны на герметичность. После такого предварительного контроля устройства устанавливают крышку 6 - накручивают ее на элемент 8. При этом ребром крышки мембрана фиксируется на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии.

Первый вариант изобретения проще, чем второй - в первом функции притягивания и фиксирования мембраны осуществляет одна деталь - крышка (соединенная с накидной гайкой). Во втором варианте притягивание мембраны производит элемент 8, а фиксирование мембраны - крышка 6. За счет этого обеспечивается удобство контроля качества установки мембраны в устройство и гарантированное достижение этого требуемого качества. По технологии сборки сначала контролируют процесс натяжения мембраны (это визуально доступно, так как крышка на этом этапе не установлена) - контролируют правильность укладки мембраны на уплотнительном кольце, не допуская эксцентричности. После этапа притягивания мембраны проверяют электрическую утечку. Затем производят фиксирование мембраны. Поскольку фиксирование является отдельным этапом сборки, и крышка осуществляет только этот этап, момент фиксации мембраны более ощутим, чем в первом варианте или в прототипе. То есть, качество фиксирования по второму варианту изобретения выше. После фиксирования мембраны снова контролируют электрическую утечку - не была ли продавлена мембрана крышкой. Таким образом, устройство обладает высокой технологичностью сборки, высокими эксплуатационными качествами и обеспечивает надежность герметизации.

В третьем варианте изобретения (фиг. 3) функции притягивания мембраны и ее фиксации также выполняют разные элементы. Отличия этого устройства от двух предыдущих заключаются в следующем: газоанализатор содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, анод 3, катод 4, селективно-проницаемую мембрану 5 и крышку 6, фиксирующую мембрану на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии ребром. Устройство содержит накидную гайку 7, которая размещена в полости крышки 6 и соединена с ней подвижно (по резьбе). В полости накидной гайки 7 размещены притягивающий элемент 8 в виде шайбы, которая установлена на дне накидной гайки, и уплотнительное кольцо 9 с заданными модулем упругости и высотой. При этом элемент 8 в месте взаимодействия с гайкой 7 имеет низкий коэффициент трения. ' Уменьшение трения в месте взаимодействия притягивающего элемента 8 с дном накидной гайки 7 может быть достигнуто, например, установкой между взаимодействующими поверхностями соответствующей прокладки (например, из фторопласта). Мембрана притянута элементом 8, при этом краевая часть мембраны зажата между элементом 8 и уплотнительным кольцом 9. Проводники 10, 11 снимают выходной сигнал с анодной системы и катода и подключены к ' регистратору 12 выходного сигнала газоанализатора.

По сравнению со вторым третий вариант изобретения проще -притягивающий элемент выполнен в виде шайбы. Достоинством также является упрощение технологии изготовления крышки, так как к ней не предъявляется требование низкого коэффициента трения в месте фиксирования мембраны. Это поясняется следующим. Особенность постановки крышки и накидной гайки в этом варианте газоанализатора (гайка установлена по резьбе на корпусе и крышка установлена по резьбе на гайке) позволяет применить технологический прием - резьбовое соединение крышка - накидная гайка выполняют с меньшим шагом, чем резьбовое соединение гайка-корпус газоанализатора. На заключительном этапе сборки, когда уже осуществлены герметизация газоанализатора и притягивание мембраны, а также установлена крышка, обеспечивают неподвижность крышки относительно корпуса газоанализатора (например, с помощью подвижных относительно друг друга тисков) и производят дополнительное закручивание накидной гайки. При этом из-за разного шага резьбовых соединений продольное перемещение накидной гайки относительно корпуса происходит быстрее, чем перемещение гайки относительно крышки. Таким образом, мембрана фиксируется, как и в первом варианте изобретения, без вероятности ее скручивания крышкой, поэтому специальных требований к качеству поверхности крышки не предъявляется.

Заявленное преимущественное исполнение поверхности катода и сопряженной с ней прикатодной поверхности, а также преимущественный метод фиксирования мембраны на прикатодной поверхности поясняются следующим.

Как уже отмечалось, поверхность катода и прикатодная поверхность могут быть плоскими. Однако такая их форма приводит к эффекту трепетания мембраны при увеличении скорости зондирования. Предложено, что известно в уровне техники, выполнить поверхность катода сферовидной, а прикатодную поверхность - сферовидной или конической. Это позволяет уменьшить вибрацию мембраны при набегании быстрого потока, придать ей жесткость, обеспечив тем самым надежность работы газоанализатора в условиях скоростного зондирования. Кроме этого, такое исполнение указанных поверхностей позволяет, при заданном диаметре осевого отверстия дна крышки, выдвинуть катод с мембраной за пределы крышки в исследуемую среду, обеспечив требуемые условия обтекания во время зондирования.

Также предложено фиксировать мембрану ребром отверстия дна крышки, причем ребро имеет поперечное сечение в форме неострого угла. Во-первых, ребро создает увеличение усилия на единицу площади. Во-вторых, при такой усиленной фиксации (фиг. 1-3) форма ребра в виде неострого, преимущественно тупого, угла создает наиболее благоприятные условия для предотвращения передавливания мембраны крышкой, обеспечения ее целостности.

Использованные источники:

1. Пат. № 14197 Украина, МКИ³ G 01 N 27/46. Электрохимический датчик кислорода/ Ю.Л. Внуков, И.О. Воронежский, С.А. Лавров, М.Е. Рабинович (СССР) - № 3906443/SU; Заявлено 06.06.85, опубл. 25.04.97, Бюл. № 2.. 2. Кирющенко И.Г. "Некоторые конструктивно-технологические и метрологические особенности измерительного канала концентрации растворенного кислорода полярографического типа". В сб. "Системы контроля окружающей среды". МГИ НАН Украины, Севастополь, 2002 г.

3. Хоровид П., Хилл У. Искусство схемотехники - Под ред. канд. тех. наук М.В.Гальперина - М.: Мир, 1984. - Т.2 - 590 с.

4. Пат. № 14163 Украина, МКИ³ G 01 N 27/416. Электрохимический газоанализатор/ Ю.Л. Внуков, М.Е. Рабинович, И.О. Воронежский, (Украига) - № 4427658/SU; Заявлено 19.05.88, опубл.25.04.97, Бюл. № 2, -прототип.

5. Пат. № 74422 Украина, МКИ³ G 01 N 27/28, G 01 N 27/48. Цифровий перетворювач концентрацii розчиненого кисню полярографiчного типу / И.Г. Кирющенко (Украина). - № 2003098113; Заявлено 01.09.2003, опубл. 15.12.2005, Бюл. №12, Приор. 01.09.2003.

6. УРИЕ. 416413.001РЭ. Установка для градуировки измерительных преобразователей концентрации растворенного в воде кислорода и показателей активности ионов водорода воды (рН). Руководство по эксплуатации.

7. МИ 952-85. Методические указания. ГСИ. Измерительные каналы концентрации растворенного в морской среде кислорода океанографических измерительных систем. Методика поверки.

8. УРИЕ. 410640.002Д3. Океанографические измерительные комплексы. Инструкция по поверке.

Изобретения относятся к технике измерения содержания растворенного газа в жидких и газовых средах, предназначены в основном для применения в океанографической аппаратуре и могут быть использованы в горной, химической промышленности, в разных технологических и экологических системах измерения и контроля содержания растворенного газа в исследуемой среде.

Технический результат - упрощение обеспечения основных метрологических характеристик устройства - чувствительности и показателя инерции. Дополнительный технический результат - надежное обеспечение герметизации электролитической камеры и экономия материала мембраны

Сущность: электрохимический газоанализатор по первому варианту (фиг. 1) содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, выходящим на прикатодную поверхность газоанализатора. Камера и капилляр заполнены электролитом. Устройство содержит анод 3, непосредственно контактирующий с электролитом камеры, и катод 4, который установлен на поверхности газоанализатора в зоне выхода капилляра. От внешней среды катод и капилляр отделяет селективно-проницаемая мембрана 5 в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора. Мембрана притянута и зафиксирована крышкой 6 в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, которая соединена с накидной гайкой 7. Мембрана притянута посредством своей краевой части, которая зажата между дном крышки и уплотнительным кольцом 8, которое расположено в полости крышки и имеет заданные модуль упругости и толщину. Фиксирование мембраны обеспечивается крышкой по замкнутой линии ребром в форме неострого угла. Проводники 9, 10 предназначены для съема выходного сигнала с анода 3 и катода 4. Проводники подключены к регистратору 11 выходного сигнала газоанализатора.

Второй вариант изобретения (фиг. 2) отличается от первого тем, что функции притягивания мембраны и ее фиксации выполняют разные элементы. Как и по - первому варианту, электрохимический газоанализатор содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, анод 3, катод 4, селективно-проницаемую мембрану 5 и крышку 6, фиксирующую мембрану на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии ребром. При этом в месте взаимодействия с мембраной крышка имеет низкий коэффициент трения. Устройство содержит накидную гайку 7. В полости крышки б размещен притягивающий элемент 8 в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне. Крышка 6 и притягивающий элемент 8 соединены подвижно. Накидная гайка 7 соединена с притягивающим элементом 8. В полости элемента 8 расположено уплотнительное кольцо 9 с заданными модулем упругости и высотой. Мембрана 5 притянута к катоду и капилляру элементом 8 посредством гайки 7 за счет того, что краевая часть мембраны зажата между дном притягивающего элемента и уплотнительным кольцом 9. Проводники 10, 11 снимают выходной сигнал с анодной системы и катода и подключены к регистратору 12 выходного сигнала газоанализатора.

В третьем варианте изобретения (фиг. 3) функции притягивания мембраны и е£ фиксации также выполняют разные элементы. Отличия этого устройства от двух предыдущих заключаются в следующем: газоанализатор содержит электролитическую камеру 1 с капилляром 2, анод 3, катод 4, селективно-проницаемую мембрану 5 и крышку 6, фиксирующую мембрану на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии. Устройство содержит накидную гайку 7, которая размещена в полости крышки 6 и соединена с ней подвижно. В полости накидной гайки 7 размещены притягивающий элемент 8 в виде шайбы, которая установлена на дне накидной гайки, и уплотнительное кольцо 9 с заданными модулем упругости и высотой. При этом элемент 8 в месте взаимодействия с гайкой 7 имеет низкий коэффициент трения. Мембрана притянута элементом 8, при этом краевая часть мембраны зажата между элементом 8 и уплотнительным кольцом 9. Проводники 10, 11 снимают выходной сигнал с анодной системы и катода и подключены к регистратору 12 выходного сигнала газоанализатора.

3 н. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрохимический газоанализатор, содержащий заполненные электролитом камеру с капилляром, а также катод и анод или анодную систему, которые имеют контакт с электролитом газоанализатора, при этом катод и капилляр отделены от внешней среды селективно-проницаемой мембраной в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии крышкой, которая соединена с накидной гайкой и выполнена в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, при этом поверхность катода сопряжена с прикатодной поверхностью газоанализатора, отличающийся тем, что мембрана притянута дном крышки, при этом краевая часть мембраны зажата между дном крышки и размещенным в полости крышки уплотнительным кольцом с заданными модулем упругости и высотой.

2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что поверхность катода выполнена сферовидной, а прикатодная поверхность газоанализатора - сферовидной или конической.

3. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что мембрана зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора ребром с сечением в форме неострого угла.

4. Электрохимический газоанализатор, содержащий заполненные электролитом камеру с капилляром, а также катод и анод или анодную систему, которые имеют контакт с электролитом газоанализатора, при этом катод и капилляр отделены от внешней среды селективно-проницаемой мембраной в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии крышкой, которая связана с накидной гайкой, выполнена в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, и в месте взаимодействия с мембраной имеет низкий коэффициент трения, при этом поверхность катода сопряжена с прикатодной поверхностью газоанализатора, отличающийся тем, что крышка подвижно соединена с размещенным в ее полости притягивающим элементом, который соединен с накидной гайкой и выполнен в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, мембрана притянута этим элементом, при этом краевая часть мембраны зажата между дном притягивающего элемента и размещенным в полости притягивающего элемента уплотнительным кольцом с заданными модулем упругости и высотой.

5. Газоанализатор по п. 4, отличающийся тем, что поверхность катода выполнена сферовидной, а прикатодная поверхность газоанализатора - сферовидной или конической.

6. Газоанализатор по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что мембрана зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора ребром с сечением в форме неострого угла.

7. Электрохимический газоанализатор, содержащий заполненные электролитом камеру с капилляром, а также катод и анод или анодную систему, которые имеют контакт с электролитом газоанализатора, при этом катод и капилляр отделены от внешней среды селективно-проницаемой мембраной в форме круга, которая притянута к катоду и капилляру и зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора по замкнутой линии крышкой, которая соединена с накидной гайкой и выполнена в виде перевернутого стакана с осевым отверстием в дне, при этом поверхность катода сопряжена с прикатодной поверхностью газоанализатора, отличающийся тем, что накидная гайка размещена в полости крышки и соединена с ней подвижно, в полости накидной гайки размещены уплотнительное кольцо с заданными модулем упругости и высотой и притягивающий элемент в виде шайбы, который установлен на дне накидной гайки и в месте взаимодействия с ней имеет низкий коэффициент трения, мембрана притянута этим элементом, при этом краевая часть мембраны зажата между притягивающим элементом и уплотнительным кольцом.

8. Газоанализатор по п. 7, отличающийся тем, что поверхность катода выполнена сферовидной, а прикатодная поверхность газоанализатора - сферовидной или конической.

9. Газоанализатор по пп. 7 и 8, отличающийся тем, что мембрана зафиксирована на прикатодной поверхности газоанализатора ребром с сечением в форме неострого угла.