Устройство для электрохимических измерений Советский патент 1984 года по МПК G01N27/46 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для .измерения параметров электрохимически активного газа, растворенного в жидкостиэ и может быть использовано в различных отраслях химической промьшшенности, биологии и медицине.

Известно устройство для определения концентрации кислорода, содержа щее корпус с раствором электролитаj погрз женные в него измерительный и вспомогательный электроды, две газопроницаемые мембраны, при этом первая мембрана прилегает к измерительному электроду таким образом, что между кх. поверхностями образуетс тонкий елой раствора электролита, а вторая обращена к анализируемой жидкости и расположена на внешней поверхности первой мембраны tl3Недостатками этого устройства являются отсутствие средств фикса ции неподвижного слоя анализируемой жидкости на внешней поверхности второй газопроницаемой мембраны а также средств, исключающих влияние радиальных составляющих потока электрохимически активного газа, например кислорода, направленного КЗ анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода,,. Кроме того, газопроницаемые.мембраны имеют большое диффузионное сопротивление лимитирующие процесс массопереноса -кислорода из анализируемой шедкости к поверхности измерительног электрода,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для электрохимических измерений, для определения удельного потока и концентрации кислорода, растворенного в жидкости, и диффузионной проводимости этой жидкости, содержащее корпус с раствором электролита, вспомогательным и измерительным электродами, ycилитeль входы .которого соединены с электродами, газопроницаемзпо мембрану, установленную между из fepитeльным электродом и перфорированной подложкой, расположенной в- контакте с исследуемой жидкостью, помещенной в емкость.

Принцип работы устройства основан на регистрации тока во внешней цепи измерительного электрода, возникающего в результате электрохимического восстановления кислорода,

диффундирующего из анализируемой жидкости через подложку и газопроницаемую мембрану С23.

К недостаткам известного устройства относится отсутствие средства крепления подложки, исключающего влияние радиалькых составляющих потока кислорода, направленного из анализируемой жидкости к поверхности

измерительного электрода, на результат измерений, и средства стабилизацд1и толищны гидродинамического слоя расположенного на внешней поверхности подг;ожки. .Кроме того, в устройстве отсутстБуют средства, исключающие влияние температурной зависимости козйкургаиента диффузии кислорода, растворенного в жидкости, на результат изкерения концентрации кислорода„

Цепью изобретения является повышение точности измерений параметров влектрохимическк активных газов и улучшение динамических характеристик устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее корпус с раствором электролита, вспомогательньЕ н измерительным электродами, усилитель, входы которого соединены с электродами, газопроницаемую мембрану,, установленную между измерительнь электродом и перфорированной подложжой, расположенной в контакте с. исследуемой жидкостью, помещенной Б емкость, дополнительно снабжено генератором переменного напряжения с. подключенным к нему соленоидом и гибкой пластиной, снабженной

в поле соленоида, которые установлены э емкости с исследуемой жидкостью при этом вмкость снабжена консольными ребрами с установленной на них подложкой, выполненными с возможностью .удаления газа через радиальные каналы, образованные ребрами, причем поверхпость подложки, не совпадающая с проекххией на нее измерительного электрода, вьшолнена армированной.

Кроме того, в устройство введены, датчик температуры, соединенный с входом функционального преобразователя выход которого соединен с первым входом блока деления, второй вход которого связан с выходом усилителя, а выход блока деления является выходом всего устройства, что

позволяет компенсировать температурную зависимость коэффициента диффузии газа.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство, продольный разрезi на фиг,2 - разрез А-А на фиг.Т.

Устройство содержит измерительный 1 и вспомогательный 2 электроды погруженные в корпус 3 с раствором 4 электролита, газопроницаемую мембрану 5, закрепленную на торцовой части корпуса 3, тонкий слой 6 раствора 4 электролита между газопроницаемой мембраной 5 и измерительным электродом 1,. усилитель 7 и подложку 8 со сквозными отверстиями 9, расположенную на внешней поверхности мембраны 5. Устройство снабжено соединенной с корпусом 3 емкостью 10, генератором 11 переменного напряжения, подключенным к нему соленоидом 12 закрепленным в боковой стенке емкости 10, и гибкой пластиной 13 с постоянным магнитом 14, находящимся в поле соленоида 12. В верхней части емкости 10 на его внутренней поверхности размещены закрепленные консольно ребра 15 для опоры подложки 8, которая выполнена армированной по периферии таким образом, что ее центральная неармированная часть 16 соосно с корпусом З.и емкостью 10, причем проекции неармированной части 16 подложки 8 и рабочей поверхности измерительного электрода 1 в осевом направлении совпадают. Для стабилизации толщины гидродинамического слоя анализируемой жидкости 17, расположенного на внешней поверхности неармированной части 16 подложки 8, и для удаления пузырьков воздуха из анализируемой жидкости 17 через радиальные каналы 18, образованные ребрами 15, гибкая пластина 13 консольно закреплена в дне емкости 10 таким образом, что ее свободный конец расположен вблизи неармированной части 16 подложки 8. Кроме того, при работе устройства в режиме измерения концентрации кислорода, растворенного в анализируемой жидкости 17, оно дополнительно снабжено соединенными между собой датчиком 19 температуры и функциональньм преобразователем 20, а также блоком 21 деления, входы которого соединены с выходами усилителя 7 и функционального преобразователя 20. Выходной сигнал последнегоопределяется зависимостью

Uz1.D(T) , (Я

5 где U- величина выходного сигнала

функционального преобразователя 20;

V. коэффициент пропорциональности В(т) - температурная зависимость

коэффициента диффузии кисло. рода, растворенного в анализируемой ЖИДКОСТИ 17 Т - температура анализируе5 мой жидкости 17.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный электрод 1 поляризуют относительно вспомогательного 0 электрода 2 напряжением, достаточным для восстановления (окисления) электрохимически активного газа, например, кислорода.

Кислород из анализируемой жид5 кости }7 Под действием градиента активности диффундирует через ее неподвижньм слой, зафиксированньш в сквозных отверстиях 9 подложки 8, газопроницаемую мембрану 5 и 0 тонкий слой 6 раствора 4 электролита к поверхности измерительного электрода 1, где происходит его электрохимическое восстановление. Это приводит к возникновению тока 5 во внешней цепи измерительного ,электрода 1, величина которого определяется уравнением

3 kipO,

(2

где 1 - коэффициент пропорциональ-НОСТИ,

р02 - парциальное давление кислорода в глубине анализируемой жидкости 17,

R гРдз диффузионные сопротивления массопереносу кислорода, сосредоточенные в тонком слое 6 раствора 4 электролита и газопроницаемой мембране 5 соответственно.

(

диффузионное сопротивление массопереносу кислорода,, сосредоточенное в неподвижном слое анализируемой жидКОСТИ 17, зафиксированном в сквозных отверстиях 9 одложки 8 толщина подложки 8; коэффициенты растворимости и диффузии кислорода в анализируемой жидкости 17 соот ветственно) коэффициент пористости подложки В, сопротивление массопереносу кислорода, сосредоточенное с внешней стороны подложки Для исключения влияния радиальных составляющих потока кислорода подлож ку 8 выполняют армированной по периф рии и закрепляют на консольных реб.рах 15 таким образом, что ее центральная неармированная часть соос;на с корпусом 3 и емкостью 10, а проекции неармированной части 16 подложки 8 и рабочей поверхности измерительного электрода 1 в осевом направлении совпадают. В этом случа влияние радиальных составляющих потока кислорода, направленного из анализируемой жидкости 17 к поверхности измерительного электрода 1 яа результат измерений исключается, а диффузионное сопротивление неподв него слоя анализируемой жидкости 17 зафиксированного в сквозных отверстиях 9 подложки 8, возрастает по сравнению с суммой сопротивлений, сосредоточенных в газопроницаемой мембране 5 и слое 6 раствора 4 элек ролита. Это приводит к повышению точности измерений, поскольку при у пичении отношения f A3/{V A2 «c,x)повышается линейность зависимостей стационарного тока от удельн го потока, концентрации кислорода, растворенного в анализируемой жидко ти 17, и дис|)фузионной проводимости последней (2), При этом также улуч шаются динамические характеристики устройства, так как уменьшается эффективная длина диффузии кислород из анализируемой жидкости 17 к поверхности измерительного электрода 1. Для обеспечения стабилизации тол щины гидродинамического слоя анализи руемой жидкости 17 в боковой стенке емкости 10 закреплен соленоид 11, подключенньй к генератору 12 перемен ного напряжения, а в нижней части пластина 13 с посемкости - гибкая 14, расположенным в тоянным магнитом поле соленоида 11. Переменное напряжение от генератора 12 подводится к соленоиду 11. Возникающее при этом электромагнитное поле соленоида 11 воздействует на постоянный магнит 14, который вместе с гибкой пластиной 13 совершает колебательные движения стабилизируютцие толщину гидродинамического слоя, расположенного на внешней поверхности подложки 8. Кроме того, колебательные движения пластины 13 способствуют удалению пузырьков воздуха КЗ анализируемой жидкости 17 через радиальные каналы 18, образованные ребрами 15, которые служат опорой подложки 8 и расположены в верхней части емкости 10 на его внутренней поверхности. Для повышения точности измерений концентрации кислорода исключают влияние температурной зависимости коэффициента диффузии кислорода на результат измерений. Для этого выхо ды усилителя 7 и функционального преобразователя 20, соединенного с датчиком 19 температуры, подключают к входам блока 21 деления, выход которого является выходом всего - устройства. Основные технические характеристики предлагаемого устройства и базового обтзекта в качестве которого рассматривается анализатор фирмы Еллоу спринг инструм, США (модель С-5521-00), предназначенный для определения концентрации кислорода, растворенного в воде, представлены в таблице, Пределы измерения: концентрации кислорода мг/л 0-20 удельного потока кислорода, моль/ () ачоЭ0-5 Не определяет

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащее корпус с раствором электролита, вспомогательным и измерительным электродами, усилитель, входы которого соединены с электродами, газопроницаемую мембрану, установленную между измерительным электродом и перфорированной подложкой, расположенной в контакте с исследуемой жидкостью, помещенной в емкость, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений параметров электрохим1-1чески активных газов и улучшения динамических характеристик, оно снабжено генератором переменного напряжения с подключенными к нему соленоидом и гибкой пластиной, снабженной постоянным магнитом, находящимся с в поле соленоида, которые установлены в емкости с исследуемо11 жидкостью, при этом емкость снабжена консольными ребрами с установленной на них подложкой, выполненными с возможностью удаления газа через радиальные каналы, образованные ребрами, причем поверхность подложi ки, не совпадающая с проекцией на нее измерительного электрода, выпол(Л С нена армированной. 2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью компенсации температурной зависимости коэффициента диффузии аза, введены датчик температуры, соединенный с входом функционального ср преобразователя, выход которого сое05 динен с первым входом блока деления, СЛ ел второй вход которого связан с выходом усилителя , а выход блока деления является выходом всего устройства. J