НЕПОЛЯРИЗУЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к стационарным неполяризующимся электродам сравнения длительного действия и предназначена для систем коррозионного мониторинга и электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии.

Уровень техники

Существует относительно широкий ассортимент устройств, для измерения суммарного и поляризационного потенциалов подземных трубопроводов и стальных сооружений при проведении коррозионного мониторинга. Наибольшее распространение получили неполяризующиеся электроды сравнения. В основу работы таких электродов, как правило, положена конструкция с телом из определенного металла (медь, цинк, серебро/хлорид серебра), погруженным в насыщенный раствор соли того же металла, отделяемая от внешней среды химически инертным корпусом с ионообменной мембраной.

Известно устройство (Патент RU №2296977, опубл. 10.04.2007 г.). состоит из токонепроводящего корпуса, заполненного электролитом, в состав которого входит дистиллированная вода, этиленгликоль и сульфат меди (CuSO4⋅5H2O). В центральной части корпуса электрода укреплен медный стержень, электрически соединенный медным проводником с клеммой. Для обеспечения ионного обмена, при сохранении герметичности используют листовую ионообменную мембрану толщиной 30-60 мкм, прижатой через резиновую уплотнительную прокладку муфтой с перфорацией к корпусу. Устройство имеет простую конструкцию и низкую стоимость. Недостатком известного устройства является невысокий срок службы, связанный с медленным истечением солевого раствора из электролитической камеры через пористое дно (полимерную мембрану) под действием силы тяжести, сильным влиянием характеристик полимерной мембраны на срок службы электрода,

проблемой осмотического давления на мембрану.

Известен хлор-серебренный электрод сравнения длительного действия (Заявка на патент RU 2012135512, дата опубл. 27.02.2014), содержащий заполненный электролитом корпус, в котором размещен еще один электрод сравнения с серебряным металлическим стержнем, снабженный изолированным проводом, выведенным через боковую стенку корпуса наружу, датчик потенциала, расположенный на верхней торцевой поверхности корпуса, от которого с внутренней поверхности выведены два изолированных провода через боковую поверхность корпуса наружу. При этом электрод сравнения имеет пластиковый корпус с отверстиями, в верхнюю торцевую поверхность корпуса ввинчена полая капиллярная резьбовая пробка с крышкой, полая резьбовая пробка имеет сквозные капилляры, заполненные электролитом, между крышкой резьбовой пробки и датчиком потенциала закреплена прокладка из резины и керамическая шайба, причем керамическая шайба пропитана электролитом диэлектрического корпуса и контактирует нижним торцом с открытой поверхностью датчика потенциала и внутренней поверхностью со сквозными капиллярами полой капиллярной резьбовой пробки. Устройство способствует увеличению срока службы внутреннего хлор-серебрянного электрода в роли которого обычно выступает лабораторный контрольный электрод типа ЭВЛ-1М1 или ЭСС-01. Заявленный капилляр, используется только в качестве ионного проводника, капиллярный эффект связанный с подъемом жидкости вверх вдоль капилляра в известном устройстве не используется. Надо также отметить недостаток, связанный с тем, что сложно обеспечить герметичность данной конструкции и соответственно безотказность работы.

Известно устройство (Руководство по эксплуатации, паспорт «Медносульфатный электрод сравнения МСЭС.СК «Эталон»-1.0 по ТУ 3435-005-09890805-2013», производитель ООО «Союзкомпелкт» г. Москва, 02.02.2017, скан-копия в приложении 1), в котором ионообменная мембрана размещена в верхней части корпуса, что предотвращает вытекание электролита под действием силы тяжести. Электролитическая камера в этом электроде выполнена в форме «U»-образной трубки. Одна часть этой трубки заполнена гелевым электролитом, в который погружен отрез ткани, контактирующий с ионообменной мембраной, размещенной в верхней части электрода. Другая часть трубки заполнена жидким раствором электролита с погруженным в него металлическим (медным) стержнем. Обе части трубки контактируют друг с другом через мембрану, размещенную в самой нижней изогнутой части. «U»-образная трубка помещена во внешний цилиндрический корпус, который имеет кабельный ввод. Достоинствами известного устройства являются сохранение объема электролита ввиду предотвращения протечки через мембрану, низкий вес, а недостатком низкий срок службы (сохранение нормированного потенциала) в минерализованных средах эксплуатации - не более 6 месяцев.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство (Руководство по эксплуатации «Медносульфатный неполяризующийся электрод сравнения ЭНЕС-4М по ТУ 3435-016-73892839-2010», производитель ООО «ЗНГА Анодъ» дата опубл. 17.05.2017, скан-копия в приложении 1), состоящее из электролитической камеры заполненной электролитом бентонитовой камеры, заполненной бентонитовой смесью, скрепленных гайкой, металлического (медь) стрежня, соединенного проводником (кабелем) с наконечником, бентонитовой камеры в корпусе которой есть отверстие с вклееной (прижатой) по периметру ионообменной мембраной из листового пористого полимерного материала, резиновой уплотнительной прокладки, служащей для обеспечения герметичности отсеков, внешнего керамического сепаратора, размещенного в верхней части электрода и отделяющего объем бентонитовой камеры от внешней среды. Бентонитовая смесь служит эффективной ловушкой хлорид ионов проникающих из внешней среды, а также является своеобразным гидрозатвором, имея свойство набухать и уплотняться в предоставленном ей объеме при воздействии влаги из внешней среды. Таким образом, камера с жидким раствором электролита защищена от внешней среды не только мембраной, но и камерой с бентонитовым наполнителем.

Кроме того, важной особенностью прототипа является погружение бентонитовой камеры конической формы в электролитическую камеру на определенную глубину, составляющую примерно 1/3 от общей глубины электролитической камеры. Это решение позволяет придать бентонитовой камере дополнительную функцию проводника влаги и ионов электролита из глубины электролитической камеры в верхнюю часть электрода, где и происходит контакт ионов со средой эксплуатации, грунтом.

Достоинство известного устройства состоит в том, что в нем исключена утечка электролита со временем, под действием силы тяжести т.к. ионообменная мембрана перемещена в верхнюю часть электрода, что положительно влияет на долговечность и надежность.

Одним из недостатков прототипа, включающего как мембрану, так и дополнительную бентонитовую камеру, является наличие нерациональных решений. Во-первых, из-за погружения бентонитовой камеры во внутрь электролитической, медный стержень был перенесен в противоположную нижнюю часть электрода, в связи с чем кабель, подводимый к электроду сверху огибает корпус электрода по боковой образующей и стыкуется со стержнем в нижней части, что требует дополнительного расхода кабеля. Во-вторых, нерациональным решением является необходимость применения большого объема бентонита для достижения сообщения электролита с внешней средой в случае некоторого вполне возможного наклона электрода при закапывании и установке в грунт. В-третьих, нерациональным решением в прототипе, присутствующим и в большинстве других известных устройств, является применение полимерных мембран и керамических сепараторов необходимых для разделения бентонитовой и электролитической камер, а также для отделения этих камер от внешней среды эксплуатации электрода при сохранении ионного обмена через них, т.к. стоимость таких материалов от специализированных известных производителей обычно высока.

Другим недостатком прототипа является большой габаритный объем, требующий бурения скважин большого диаметра под установку для эксплуатации. Например, вследствие некоторой функциональной перегрузки бентонитовой камеры ее объем достаточно велик и занимает примерно 1/3 объема электролитической камеры.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является более рациональное использование материалов, снижение себестоимости, увеличение компактности, при сохранении увеличенного ресурса работы и надежности электрода.

Техническим результатом изобретения является снижение габаритных размеров при сохранении повышенной надежности устройства в многолетней эксплуатации.

Технический результат достигается за счет того, что в неполяризующимся электроде сравнения, содержащем токонепроводящий корпус 1, заполненный электролитом из насыщенного раствора соли 2, в который частично погружен металлический стержень 3 с подключенным к нему снаружи проводником 4 в изоляторе 5, а также бентонитовую смесь 6 со смачиваемым сепаратором 7 и, корпусную перегородку 8, разделяющую бентонитовую смесь 6 и электролит из насыщенного раствора соли 2, содержащую одно или несколько сквозных отверстий заполненных ионообменным материалом, отличающийся тем, что в качестве ионообменного материала используется как минимум один капиллярный стержень 9, представляющий собой микроканалы, заполняющие внутреннюю часть трубчатого корпуса, нижний конец стержня при этом находится в электролите из насыщенного раствора соли, а верхний - в бентонитовой смеси 6, при чем в корпусной перегородке 8 также зафиксирован металлический стержень 3.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом на фиг. 1, где дана принципиальная схема неполяризующегося электрода сравнения: 1 - токонепроводящий корпус, 2 - электролит из насыщенного раствора соли, 3 - металлический стержень, 4 - проводник, 5 - изолятор, 6 - бентонитовая смесь, 7 - смачиваемый сепаратор, 8 - корпусная перегородка, 9 - капиллярный стержень.

Осуществление изобретения

Токонепроводящий корпус 1 выполнен из прочного химически инертного материала, например из композитного пластика. Электролит из насыщенного раствора соли 2 заливается в нижнюю полость токонепроводящего корпуса 1, на которую затем надевается герметично перегородка 8, являющаяся частью токонепроводящего корпуса 1. Запрессованный в корпусную перегородку 8 металлический стержень 3 одной частью погружается в электролит из насыщенного раствора соли 2, а другой частью остается снаружи для подключения проводника 4. Место подключения и оголенные участки металла защищает герметичный изолятор 5. Корпусная перегородка 8 содержит также запрессованные капиллярные стержни 9, представляющие собой систему микроканалов, заполняющих трубчатый корпус. Нижний конец капиллярных стержней 9 погружен в электролит из насыщенного раствора соли 2, а верхний выведен в бентонитовую смесь 6, таким образом, капиллярные стержни 9 заменяют ионнобменную мембрану, представляющую собой, как известно, смачиваемое пористое тело в виде листа или пленки. Микроканалы стержней в данном случае являются альтернативой порам мембраны. Полости под бентонитовую смесь 6 находятся на корпусной перегородке 8. Так как капиллярные стержни 9 имеют диаметр существенно меньше, чем площадь рабочей поверхности листовой ионообменной мембраны в прототипе, то в предлагаемом электроде отсутствует необходимость в большом объеме бентонитовой камеры. Бентонитовая смесь 6 должна быть локализована вокруг конца капиллярного стержня 9. Бентонитовая смесь 6 в сухом виде обычно содержит 25-95% бентопорошка, 5-25% соли-активатора. В составе могут присутствовать и другие компоненты, служащие для увеличения вязкости смеси и сорбции токсичных ионов. Сам же бентопорошок служит не только сорбентом токсичных ионов, но и гидрозатвором, имея свойство расширятся и герметизировать все стыки и полости при избытке влаги, и наоборот, сжиматься в сухом грунте. Смачиваемый сепаратор 7 расположен в верхней части устройства, имеет развитую поверхность, служит для фиксации объема бентонитовой смеси 6 и улучшения контакта этой смеси со средой эксплуатации.

Как известно, высота столба жидкости (высота подъема жидкости над поверхностью) при капиллярном эффекте описывается законом Юрина:

h=2 σ cos β / ρ g r,

где σ - поверхностное натяжение жидкость-воздух, β - угол смачивания, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, r - радиус капилляра.

В предлагаемом неполяризующемся электроде сравнения, путем подбора r и Н - расстояние между поверхностью электролита из насыщенного раствора соли 2 и верхним концом капиллярного стержня 9, настраивают требуемые нормированные характеристики электрода, например переходное сопротивление, а также минимизируют выход электролита через верхний конец стержня, так как сила капиллярного и сорбционного эффекта F_K направлена противоположно действующей на электролит силе тяжести F_T.

Управлять капиллярным эффектом в предлагаемом устройстве можно не только конструктивно, но и рецептурно, регулируя параметры электролита из насыщенного раствора соли σ и ρ, путем введения в рецептуру его приготовления веществ не влияющих на собственный потенциал электрода, но с отличными от воды параметрами σ и ρ, например, этиленгликоля.

Погружение капиллярных стержней 9 в электролит из насыщенного раствора соли 2 на некоторую глубину, подбираемую эмпирическим путем, необходимо для достижения устойчивого контакта в случае непреднамеренного наклона электрода при установке в грунт.

Изобретение относится к стационарным неполяризующимся электродам сравнения длительного действия и предназначено для систем коррозионного мониторинга и электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии. Неполяризующийся электрод сравнения содержит токонепроводящий корпус, заполненный электролитом из насыщенного раствора соли, в который частично погружен металлический стержень с подключенным к нему снаружи проводником в изоляторе, а также бентонитовую смесь со смачиваемым сепаратором и корпусную перегородку, разделяющую бентонитовую смесь и электролит из насыщенного раствора соли, содержащую одно или несколько сквозных отверстий, заполненных ионообменным материалом, в качестве ионообменного материала используется как минимум один капиллярный стержень, представляющий собой микроканалы, заполняющие внутреннюю часть трубчатого корпуса, нижний конец стержня при этом находится в электролите из насыщенного раствора соли, а верхний - в бентонитовой смеси, при чем в перегородке также зафиксирован металлический стержень. Техническим результатом является снижение габаритных размеров при сохранении повышенной надежности устройства в многолетней эксплуатации. 1 ил.

Неполяризующийся электрод сравнения, содержащий токонепроводящий корпус, заполненный электролитом из насыщенного раствора соли, в который частично погружен металлический стержень с подключенным к нему снаружи проводником в изоляторе, а также бентонитовую смесь со смачиваемым сепаратором и корпусную перегородку, разделяющую бентонитовую смесь и электролит из насыщенного раствора соли, содержащую одно или несколько сквозных отверстий заполненных ионообменным материалом, отличающийся тем, что в качестве ионообменного материала используется как минимум один капиллярный стержень, представляющий собой микроканалы, заполняющие внутреннюю часть трубчатого корпуса, нижний конец стержня при этом находится в электролите из насыщенного раствора соли, а верхний - в бентонитовой смеси, причем в перегородке также зафиксирован металлический стержень.