Устройство для электрохимических измерений

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,Я0„„1О96557

3(59 6 01 N 27/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3524322/18-25 (22) 20. 12.82 (46) .07.06.84. Бюл.121 (72) А.Ф. Албантов, А.Л. Левин, А.А. Горяйнова, Р.И. Фатахова, В.H. Шарапов, Н.Г. Соколов и В.П. Голубев (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт медицинского при-. боростроения (53) 54 1. 13(088.8) (56) 1. Патент США -4058447, кл. G 0 1 N 27/46, опублик. 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

9828055, кл. G 01 hl 27/46, 1981 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИИИЧЕСКИХ 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений параметров электрохимически 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 лоле соленоида, которые установлены в емкости с исследуемой жидкостью, при этом емкость снабжена консольными ребрами с установленной на них подложкой, выполненными с возможностью удаления газа через радиальные каналы, образованные ребрами, причем поверхность подложки, не совпадающая с проекцией на нее измерительного электрода, выполнена армированной.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью компенсации температурной зависимости коэффициента диффузии -аза, 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. 1 О96 557

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения параметров электрохимически активного газа, растворенного в жидкости, и может быть использовано в различных отраслях химической промышленности, биологии и меди" цине.

Известно устройство для определе" ния концентрации кислорода, содержа-. $Q щее корпус с раствором электролита, погруженные в него измерительный и вспомогательный электроды, две газопроницаемые мембраны, при этом первая мембрана прилегает к измерительному электроду таким образом„ что между их поверхностями образуется тонкий елой раствора электролита, а вторая обращена к анализируемой жидкости и расположена на внешней 20 поверхности первой мембраны 1 .

Недостатками этого устройства являются отсутствие средств фиксации неподвижного слоя анализируемой жидкости на внешней поверхности 25 второй газонроницаемой мембраны,. а также средств, исключающих влияние радиальных составляющих потока электрохимически активного газа, например кислорода, направленного иэ анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода„. Кроме того, газопроницаемыг.мембраны имеют большое диффузионное сопротивление, лимитирующие процесс массопереноса кислорода из анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стройство для электрохимических измерений,,цля определения удельного потока и концентрации кислорода, растворенного в жидкости, и диффузионной проводимости этой жидкости, содержащее корпус с раствором электролита, вспомогательным и измери" тельным электродами, усилитель, входы .которого соединены с электродами, газопроницаемую мембрану, установленную между измерительным электродом и перфорированной подложкой, располсженной а контакте с исследуемой жидкостью, помещенной в емкость.

Принцип работы устройства осно55 ван на регистрации тока во внешней цени изчерительного электрода, возникающего в результате электрохи- мического восстановления кислорода, диффундирующего из анализируемой жидкости через подложку и газопроницаемую ме.1. рану Г2 3.

К нед ст. -. кам известного устройст. ва отнас, .ся отсутствие средства крепления подложки, исключающего влияние радиальных составляющих потока кислорода, направленного из анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода, на результат измерений и средства стабилизапчи толщины гидродинамического слоя расположе;- ного на внешней поверхности подложки. Кроме того, в устройстве отсутствуют средства, исключающие влияние температурнок зависимости ксэффициента диффузии хислорора, растворенного в жидкости, на результат:" эмерения концентрации кислорода.

Цслью изобретения является повышение точности измерений параметров влектрохимическн активных газов и улучшение динамических характеристик устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее корпус с раствором электролита, вспомогательным и измерительным электродами, усилитель, входы которого соединены с элек- родами, газопроницаемую мембрану, установленную между измерительным электродом и перфорированной подложкой, расположенной в контакте с исследуемой жидкостью, помешенной в емкость, дополнительно снабжено генератором переменного напряжения с подключенным к нему соленоидом и гибкой пластиной, снабженной постоянным магнитом, находящимся в поле соленоида, которые установлены в емкости с исследуемой жидкостью прн этом е:1кость снабжена консольными ребрамн с установленной на них подложкой, выполненными с возможностью удаления газа через радиальные каналы, образованные ребрами, причем поверх..ость подложки, не совпадающая с проекцией на нее измеритель. ного электрода, выполнена армированной.

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

1096557 позволяет компенсировать температурную зависимость коэффициента диффузии газа.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг,2 — разрез А-А на фиг. 1.

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 !7, 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 снаб.— жено соединенными между собой датчиком 19 температуры и функциональным преобразователем 20, а также блоком

21 деления. входы которого соединены с выходами усилителя 7 и функционального преобразователя 20. Выходнои сигнал последнего определяется зависимостью

U=R D(x) (ц

40 где 1<в коэффициент пропорциональ.ности парциальное давление кислорода в глубине анализируемой жидкости 17 диффузионные сопротивления массопереносу кислорода, сосредоточенные в тонком слое 6 раствора 4 электроли. та и газопроницаемой мембране 5 соответственно.

РО2—

Д1 А2 диффузионное сопротивление массопереносу кислорода,. сосредоточенное в неподвижном слое анализируемой жид55

5 где 0 — величина выходного сигнала функционального преобразователя 20

k — коэффициент пропорциональности, 3(T1 — температурная зависимость коэффициента диффузии кислорода, растворенного в анализируемой жидкости 17;

Т вЂ” температура айализируе15 мой жидкости 17.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный электрод 1 поляризуют относительно вспомогательного

2О электрода 2 напряжением, достаточным для восстановления (окисления) электрохимически активного газа, например, кислорода.

Кислород из анализируемой жидкости 17 под действием градиента активности диффундирует через ее

t неподвижный слой, зафиксированный в сквозных отверстиях 9 подложки

8, газопроницаемую мембрану 5 и

30 тонкий слой 6 раствора 4 электролита к поверхности измерительного электрода 1, где происходит его электрохимическое восстановление.

Это приводит к возникновению тока во внешней цепи измерительного элект рода l величина которого определяется уравнением

1096557 таблице, з овый ъект

Основные техничес характеристики

Пределы измерения: концентрации кислорода мг/л

0-20 0-20 удельного потока кислорода, моль/(м с)

Й 109

0-5

Е!е определяет кости 17, зафиксированном в сквозных отверстиях 9 подложки 8;

4 — толщина подложки 8; в(и в — коэффициенты растворимости 5 и диффузии кислорода в анализируемой жидкости 17 соответственно коэффициент пористости подложки 8;

R с„,, — сопротивление массопереносу кислорода, сосредоточенное с внешней стороны подложки 8.

Для исключения влияния радиальных составляющих потока кислорода подлож- 15 ку 8 выполняют армированной по перифе рии и закрепляют на консольных реб.рах 15 таким образом, что ее центральная неармированная часть соос1на с корпусом 3 и емкостью 10, а 20 проекции неармированной части 16 подложки 8 и рабочей поверхности измерительного электрода 1 в осевом направлении совпадают. B этом случае влияние радиальных составляющих 25 потока кислорода, направленного из анализируемой жидкости 17 к поверхности измерительного электрода на результат измерений исключается, а диффузионное сопротивление неподвиж gp ного слоя анализируемой жидкости 17 зафиксированногo B сквозных отверстиях 9 подложки 8, возрастает по сравнению с суммой сопротивлений, сосредоточенных в газовроницаемой мембране 5 и слое 6 раствора 4 электролита, Это приводит к повышению точности измерений, поскольку при уве. пичении отношения повышается линейность зависимостей стационарного тока от удельно.

ro потока, концентрации кислорода, растворенного в анализируемой жидкости 17, и диффузионной проводимости последней (" ), При этом также улуч-. шаются динамические характеристики устройства, так как уменьшается эффективная длина диффузии кислорода из анализируемой жидкости 17 к поверхности измерительного электрода

1. Для обеспечения стабилизации тол-. щины гидродинамического слоя анализируемой жидкости 17 в боковой стенке емкости 10 закреплен соленоид 11, подключенный к генератору 12 переменного напряжения, а в нижней части емкости — гибкая пластина 13 с постоянным магнитом 14, расположенным в поле ссленоида 11. Переменное напряжение ат 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 стабилизирукнцие толщину гидродинамического слоя, расположенного на внешнеи-поверхности подложки 8. Кроме того, колебательные движения пластины 13 способствуют удалению пузырьков воздуха из 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 вьгхо ды усилителя 7 и функционального преобразователя 20, соединенного с датчиком 19 температуры, подключают к входам блока 21 деления, выход которогс является выходом всего.устройства.

Основные технические характеристики предлагаемого устройства и базового объекта. в качестве которого рассматривается анализатор фирмы "Еллоу спринг инструм", США (модель

С-5521-00), предназначенный для определения концентрации кислорода, растворенного в воде, представлены в

1096557

Продолжение таблицы

Продолжение таблицы

2 3

3 диффузионной проводимости жидкостей по кислороду, моль/(м"Па с)

Р,10 "4

0-5

Погрешность измерений:

Одна Две концентрации кислорода,Е

7 5 4 удельного потока кислорода,Ж

2,5

2,5

Pvz. 2 диффузионной проводимости жидкостей по кислороду,%

Бремя установления

997 показаний при

"скачкообразном" изменении определяемого параметра в анализиделяет руемой жидкости,с 15

Наличие температурной компенсации при

15 измеРении СО2

Из данных, приведенных в таблице, следует, что предлагаемое устрб ройство обладает более широкими функциональными возможностями и улучшенными метрологическими характеристиками по сравнению с базовым объектом.