Способ определения гидростатического давления Советский патент 1992 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к способам определения гидростатического давления с помощью электрохимических датчиков, основанных на использовании зависимости определенных свойств растворов электролитов от давления.

Предлагаемый способ измерения давления предназначен для использования в океанографических гидрохимических зондах.

Наряду с известными способами измерения давления с помощью механоэлектриче- ских датчиков давления в океанографической аппаратуре для измерения гидростатическб 0 давления находят применение вибрационные и

полупроводниковые тензометрические преобразователи давления.

Известен способ измерения давления с помощью хематронных датчиков статического давления, основанный на изменении электропроводности водных растворов слабых электролитов в зависимости от давления; способ измерения давления по изменению ЭДС электрохимической ячейки при движении электролита в ячейке за счет разности давлений.

Однако применение изложенных способов измерения давления в морской воде In situ с помощью потенциометрического зонда требует усложнения измерительной системы зонда. Способ измерения не приvjСП Os 00

меним для измерения высоких статических давлений, существующих в океане.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения давления, осно ванный на изменении электропроводности водных растворов электролитов в зависимости от давления, т.е. в основу которого заложен принцип зависимости свойств раствора электролита от давления. Способ заключается в измерении сопротивления водных растворов слабых электролитов в зависимости от давления.

Недостатком кондуктометрического способа измерения давления является его несогласованность с потенциометрической измерительной системой гидрохимического зонда, необходимость введения для него специального измерительного канала и отличие в конструкции кондуктометрического датчика от унифииированных элементов, применяемых в зонде потенциометрических да тчиков.

Целью изобретения является упрощение способа измерения гидростатического давления с помощью гидрохимического зонда, предназначенного для измерения ЭДС электрохимических ячеек с ионоселек- тивными электродами.

Поставленная цель достигается тем, что определяют электродвижущую силу электрохимической ячейки при нормальном давлении в морской воде и при повышенном давлении на глубине; по изменению ЭДС ячейки рассчитывают гидростатическое давление по уравнению:

ДЕР -A-BT-DT2

FT + С где Р - давление в МПа;

Ер - изменение ЭДС ячейки, равное

A Ep Ei-Ep. Ei - ЭДС в поверхностных

слоях при нормальном давлении, Ер ЭДС при давлении Р на глубине;

(1)

,18694 ,41433-10 3,

Отличиями предлагаемого способа является определение изменения ЭДС элект5 рохимической ячейки на глубине в морской поде по отношению к ЭДС на поверхности. Хотя способ измерения давления по изменению ЭДС известен, однако он применим только для измерения динамических давле10 ний, а для высоких статических давлений непригоден.

На чертеже приведена схема электрохимической ячейки.

Ячейка сотоит из стеклянных электро15 дов 1 с натриевой функцией, один из которых заполнен стандартным (боратным) буферным раствором 2, внутри которого помещен стеклянный электрод 3 с водородной функцией с раствором 4 и токоотводящим

20 электродом 5, образующих двойной стеклянный электрод, и йторого стеклянного элею рода с натриевой функцией с таким же токоотподящим полуэлементом, как и в электроде 3. Внутренние электроды монти25 руются с помощью пористых пробок 6, отделяющих внутренние водные растворы от силиконового масла 7, служащего вместе с эластичными трубками 8 из пластизоля и отверстиями во фторопластовых деталях 9

30 для передачи давления внутрь электродов, Токоотводящими являются окислительно-восстановительные полуэлементы на основе системы ферро-ферри - ионов (FeSCU 0.05M; Р2(30ф 0.025М) - Pt,

35 FeH2/Fe+3, 0,1н. HCI, обладающие малой за- висимостьга ЭДС от давления и отсутствием гистерезиса по температуре.

В качестве электролита в ячейке используется боратный буферный раствор (0,01 М

40 ЫагВдО ЮНгО), для которого влияние давления на величину рН является наибольшим по сравнению с другими буфер

Использование: потенциометрические определения со стеклянными электродами, в частности определение гидростатического давления с помощью электрохимических (хематронных) датчиков давления, основанных на использовании зависимости определенных свойств растворов электролитов от давления (в частности рН). Сущность изобретения: определяют электродвижущую силу электрохимической ячейки при нормальном давлении в морской воде и при повышенном давленйй ТҐаТлубине, по изменению ЭДС рассчитывают давление морской воды по уравнению Р ДЕр-А-ВТ- ДТ2/РТ+С, где Р - давление, МПа; А Ер - изменение ЭДС ячейки, равное разнице ЭДС при нормальном давлении и давлении Р; ,2065; В-0.683061: ,735086; D-1,18694 КГ3; F-1,41433 10 3; Т-температура на глубине. 1 ил., 2 табл. со С

рг

рз

двойной стеклянный электрод

ЭДС данной ячейки определяется суммой скачков потенциалов

Е (ру р4+ ръ- рь и после элиминирований одинаковых значений потенциалов с учетом симметричности относительно внутренних полуэлементов

/Ц

Ч

ipi -крз, т.е. определяется состоянием только онутреннего раствора двойного стеклянного электрода, в данном случае- борат- ного буферного раствора.

Калибровочные данные для зависимости величин ЭДС ячейки 1 от давления получены путем их измерения на лабораторной установке, имитирующей глубинные условия. Разности величин ЭДС ячейки при нормальном давлении (Ei) и при давлении Р (Ер), отнесенных к одним и тем же знамени- ям температуры Т (А ЕР(Е -Ер)т.

Зависимость изменения ЭДС (А Е) ячейки 1 для боратного буферного раствора от температуры и давления приведена в табл.1.

Зависимость ЭДС (Ei) ячейки 1 для боратного буферного раствора от температуры при нормальном давлении приведена в табл.2.

Полученные экспериментальные дан- ные аппроксимируются уравнением и ,

Ei-aT+b.-(2)

Коэффициенты этих уравнений (1) подбирают путем минимизации средних квадратичных отклонений экспериментальных данных от значений, даваемых интерполяционным уравнением и равны: ,2065; ,68306; С-0,735; ,187 ,414x хЮ. Коэффициенты а и b уравнения (2) рассчитаны МНК и равны: ,202; ,88.

Воспроизводимость величии А Ер в параллельных опытах при определенной температуре на каждой ступени давления не хуже 0,5мВ, что соответствует изменении) в давлениях, равному 1,5 МПа. Относительная ошибка измерения давления на глубине 6000м составляет 2,5%. По величине изменения ЭДС ( А Ер) давление определяется по уравнению (1).

Процедура определения давления заключается в измерениях ЭДС ячейки 1 (Ер) и температуры (Т) на глубине, расчете Значения ЭДС ячейки 1 (Ei) при нормальном давлении и глубинной температуре по урав- нению (2) и затем в вычислении искомого давления (Р) по уравнению (1).

Основным назначением предлагаемого способа измерения давления является внесение поправки на давление в значения рН стандартных буферных растворов, относительно которых производится измерение рН морской воды гидрохимическим зондом. Ошибка, вносимая в значения рН, определяется точностью измерения давления, она состазляет 0,5 мВ или в единицах рН O.Ot.

Предлагаемый способ измерения давления может быть применен и по своему прямому назначению в океанографической аппаратуре, если указанная выше точность измерения (±1,5 МПа) достаточна для решаемых задач.

Таким образом, предлагаемый способ измерения гидростатического давления по сравнению с известный является более простым, а именн о нТ требует введения дополнительных канало-в и усложнения конструкции потенциометрического зонда, дает возможность использовать унифицированные каналы Электронных схем гидрохимического зонда путем использования стеклянных датчиков, аналогичных по конструкции датчикам физико-химических параметров морской воды, представляющих собой ионоселективные электроды.

Формула изобретения

Способ определения гидростатического давления, заключающийся в измерении электрохимического параметра с последующим определением искомой величины, о т- личающийся тем, что, с целью упрощения способа, измеряют электродвижущуюся силу ячейки при нормальном давлении и при повышенном на глубине в водной среде, после чего определяют величину давления по формуле

Р

АЕр -A-BT-DT2 FT-f С

где Р - давление в МЛа;

А Ер - изменение ЭДС ячейки;

Л- эмпирический коэффициент, равный 98,2065;

В - эмпирический коэффициент, равный -0,683061;

С - эмпирический коэффициент, равный 0.735086;

D-эмпирический коэффициент, равный 1,18694-10 3;

Р-эмпирический коэффициент, равный -1.41433-10

Т-температура на глубине.

Таблица 1

Таблица 2