Способ измерения концентрации кислорода в жидких средах и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01N27/52 

«.

Изобретение относится к электрохимическим методам измерения кислорода и может применяться в аналитической химии и биохимическом анализе. Изобретение позволяет ускорить процесс измерения за счет ультразвукового ускорения процесса переноса кислорода через электролиты и мембрану. Для этого электродная площадка установлена с возможностью свободных колебаний. Между исследуемой жидкостью, помещенной в кювету, и измерительными электродами размещена полупроницаемая мембрана. На электролит, мембрану и исследуемую жидкость со стороны катода воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 200-400 кГц при интенсивности 0,1-0,6 Вт см^-2 и измеряют электрический ток, протекающий в электролите под действием электрического потенциала. По величине тока определяют концентрацию кислорода. Устройство содержит источник постоянного электрического тока, датчик и измеритель тока. Датчик содержит электродную подложку 3 из пьезоматериала с размещенными на одной из ее поверхностей и подключенными к источнику 14 и измерителю 13 тока двумя измерительными электродами, между которыми помещен слой электролита, а на другой поверхности расположены дополнительные электроды 6,7 подключенные к одному из выходных выводов электронного генератора 15 переменного тока, другой вывод которого подключен к измерительным электродам 4,5 через разделительные конденсаторы заданной величины. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрохимическим методам намерения концентрации кислорода, растис ренного в жидкости, и может применяться в аналитической химии и биохимическом анализе

Цель изобретения - уменьшение времени, затрачиваемого на измерение концентрации Кислорсща , за счет сокращения времени откпика измерительного устройства путем ускорения переноса кислорода через слои электроли- та и газопроницаемую мембрану под действием ультразвука, для чего на электролит, мембрану и исследуемую жидкость со стороны катода воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 200-40000 кГи при

о

интенсивности 0,1-0,6 Вт СМ .

Для максимальной стабипьности ре- зультатов измерения при воздействии ультразвука необходимо, чтобы паря- метры колебаний на поверхности катода, в электролите, мембране и прилегающем к ней слое препарата остава- лись постоянными. Это возможно только в том случае, когда расстояние от поверхности катода до слоя препарата удаленного от мембраны настолько, что из него кислород утке непосредст- венно не поступает на катод, в 5- 10 раз меньше четверти длины ультразвуковой волны. При этом ее узел не должен лежать в пределах этого пространства. Следовательно, наиболее предпочтительно, чтобы пучность колебаний располагалась на поверхности катода. Отсюда следует, что существует предельная частота колебаи1ш, выш которой эффективность предлагаемого способа начнет резко снижаться за счет роста погрешности измерения.

Учитывая, что скорость звука в электролите и наиболее типичных препаратах (водных растворах, эмульсиях и суспензиях) составляет примерно 1500 , толщина мембраны - от 2 до 10 мкм, и принимая во внимание . конструктивные особенности измерительных устройств, минимальная длина ультразвуковой волны лежит в пределах 0,3-0,4 мм, т.е. максимальная частота колебаний не должна превышать 4-5 МГц. Скорость диффузии на частотах ниже 150-200 кГц при малых интенсивностях заметно снижается, эт частоты можно считать нижним предело частотного диапазона.

При исследовании влияния интенсивности ультразвуковых колебаний на скорость диффузии кислорода через полупроницаемую мембрану устаноплс но, что при интеисирности ниже 0,05- 0,07 злметного сокращении

времени отклика не наблюдается. По мере увеличения интенсивности от 0,1 Вт-см I вьш1е время отклииа уменьшается. Нстример, при интенсивкости 0,25 JiT-cM

1НО в 3-5 раг1

5 0 5 Q

, д 5

0

5

меньше, чем в случае, ког да ультразвуковые колебания выключены. Л,:1ль- нейшее возрастание интенсивности хотя и способствует еще большему сокращению отклика, однако приводит к повышению температуры электролита и препарата вблизи мембраны. В результате для сохранения точности измерения необходимы специальные меры тер- мостатирования. При интенсивности выше 0,6-0,7 Вт-см вследствие ограниченной теплопроводности жидких сред и материалов элементов устройства время, необходимое для стабилизации температуры в зоне катода, начинает превышать время отклика, т.е. время установления в измерительной цепи вследствие температурного изменения начинает увеличиваться.-Дальнейшее увеличение интенсивности приводит также к появлению кавитации со всеми указанными выше отрицательными последствиями.

Таким образом, для достижения по- стявлеиной цели необходимо при.мене- ние ультразвука с интенсивностью в зоне катода от 0,1 до 0,6 BTIсм.

На фиг.I изображена конструкция кислородного датчика; на фиг.2 - электр1гческая схема предлагаемого устройства.

Кислородный датчик (фиг.1) состоит из основания 1, выполненного из диэлектрика, в котором на резиновой прокладке 2 установлена электродная подложка 3, выполненная из попяри- зованного по толщине пьезоэлектрического материала, например пьезоэлектрической керамики или Х-среэа монокристалла кварца. Одно из возможных направлений поляризации показано стрелками. Ка обоих торцовых поверхностях электродной подложки нанесены в виде тонкого металлического покрытия измерительные 4 и 5 и дополнительные 6 и 7 электроды. Центральный электрод 4 выполнен из платииы и является катодом, окружающей его в виде незамкнутого кольца серебряный электрод 5 - анодом. Поверхность электродной подложки между анодом и катодом покрыта тонким слоем электролита .

К электродной подложке со стороны измерительных электродов через полупроницаемую мембрану 8 накидной гайкой 9 прижата кювета 10 с пробкой 11 заполненная исследуемум прриаратом

В устройстве электродная полложка используется в качестве изолятора для размещения измерительных электродов и одновременно является двухсекционным ньезозлементом.

При измерении концентрации кислорода в препарате анод 5 (фиг.2) через измеритель 13 тока соединен с положительным, а катод 4 - с отрицательным выводами источника 14 постоянного тока. Один из выводов выходного каскада электронного генератора 15 присоединен к дополнительному электроду 6, расположенному напротив катода. Второй вывод выходного каскада генератора через разделительные конденсаторы

16и 17 присоединен к аноду и катоду. Второй дополнительный электрод 7 подключен к цепи обратной связи генератора .

Во время работы устройства по электроду между анодом 5 и катодом 4 протекает постоянный электрический ток, пропорциональный количеству кислорода, поступающего из препарата через отверстие в дне кювети 10 и по- тгупроницаемую мембрану 8 к катоду. Поступающее количество кислорода пропорционально его концентрации в препарате. Величина протекающего тока может быть измерена электронным измерителем тока с подключенным к нему самопишущим регистратором.

Генерато р переменного тока создает электрическое поле в пьезоэлектрическом материале электродной подложки 3, в результате чего благодаря обратному пьезоэффекту в ней возникают механические колебания. При совпадении частоты генератора с собственной частотой механических колебаний электродной подложки наступает резонанс , приводящий к знaчитeльнo fy увеличению амплитуды механических колебаний. Электрическое напряжение, возникающее на электроде 7 вследствие деформации пьезоэлектрика (прямой пьезоэффект), поступает в цепь обратной связи электронного генератора. Это позволяет поддерживать резонансную частоту выходного сигнала генератора и заданную амплитуду колебаний электродной подложки.

Разделительные конденсаторы 16 и

17исключают шунтирование измеритель

цопи. Их рекомендуемая величина может быть определена ич ныр,чжеция:

1 С 10 гГ I и,

tnLA

где Ср„ , Срд - емкости разделительных конденсаторов, присоединенных к катоду и аноду, соответственно;

С | - емкость между катодом

и дополнительным .. электродом, расположенным напротив катода; - А емкость между анодом

и этим же дополнительным электродом.

Равенство отношений емкостей обеспечивает отсутствие разности потен- циалов переменной составляющей между измерительными электродами вследствие равных падений напряжения на участках пьезоматериала между каждым из измерительных электродов 4 и 5 и до- полнительным электродом 6, подключенным к выходу генератора 15. Рекомендуемая величина отношений емкостей при незначительном падении напряжения на разделительных конденсаторах не приводит к заметному возрастанию постоянной времени измерительны цепи.

Под воздействием ультразвуковых колебаний повышается скорость проникновения кислорода через полупроницаемую мембрану, что приводит к сокращению времени отклика и позволяет в 3-5 раз сократить время измерения.

40

Формула изобретения

воздействием электрического потенциала и измерения электрического тока, протекающего через электролит, отделяемый от исследуемой жидкости полупроницаемой мембраной, по величине

которого судят о концентрации кислорода, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса измерения за счет сокращения времени отклика, на электролит, мембрану и

55

исследуемую жццкость со стороны катода воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 200- 4000 кГц при интенсивности 0,1- 0,6 Вт.см.

и inni ри ггм .иыми з.чрктродами, о т л и ч ,1 HI III г е с я тем, что, с пе- льк1 сокращения времени отклика, элек- TpcvUi JH подложка установлена с поз- можпосггью cв(.lx кситебаний и выполнена из поляризоиалног о пьезоэлектрического материала, а па свободной от измерительных элек Т родоп новерхности электродной площадки напротив катода расположен по крайней мере один дополнительный электрод ппя передачи ультразвукового возбуждения ,