Датчик для определения концентрации аммиака в жидких и газовых средах

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчику для определения концентрации аммиака в жидких и газовых средах, содержащему ячейку пробоподготовки и измерительную ячейку с pH-измерительным электродом, электродом сравнения, перемешивающим устройством и узлом подвода пробы, выполненным в виде барботирующего устройства, соединенного с ячейкой пробоподготовки. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в химических и медико-биологических анализаторах для контроля концентрации аммиака в жидких и газовых средах.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является датчик аммиака фирмы "Орион" (модель 95-10), принципиальная схема которого приведена в книге ("Справочное руководство по применению ионоселективных электродов: Пер. с англ.-М. Мир, 1986, с.21-23).

Этот датчик представляет собой измерительную ячейку, в состав которой входят два электрода (pH-измерительный и электрод сравнения) и узел поступления пробы через газопроницаемую мембрану.

Недостатками прототипа являются: недостаточная чувствительность (диапазон определения 10^-6 - 10^-1 моль/л); высокая инерционность при переходе от измерений в пробах с высокими концентрациями аммиака к измерениям в пробах с низкими время отклика по уровню от 0,95 до 5 мин: недостоверность определений концентрации аммиака в газовых пробах с низкой влажностью и в водных растворах, содержащих органические вещества.

Задачей, которую решает изобретение, является усовершенствование конструкции датчика для увеличения чувствительности датчика, снижения инерционности и обеспечения достоверности определения концентрации аммиака в газовых средах с различной влажностью и в жидких средах, содержащих органические вещества.

Сущность изобретения сводится к следующему.

Датчик для определения концентрации аммиака в жидких и газовых средах дополнительно содержит барботирующее устройство, соединенное с ячейкой пробоподготовки, и перемешивающее устройство. Электролитом датчика служит микромолярный раствор NH₄Cl.

На фиг.1 изображена блок-схема датчика; на фиг 2. представлена сущность работы измерительной ячейки.

Датчик содержит ячейку пробоподготовки 1 и измерительную ячейку 2. Измерительная ячейка 2 соединена с трубопроводом 3, на котором расположены воздушный насос 4 и кран 5. Кран 5 соединяет трубопровод 3 с трудопроводом 6, сообщающимся с воздухом, и трубопроводом 7, сообщающимся с ячейкой пробоподготовки 1.

Измерительная ячейка состоит из pH-измерительного электрода 1, электрода сравнения 2, барботирующего устройства 3 и перемешивающего устройства 4.

Принцип работы измерительной ячейки (фиг.2) основан на регистрации изменения pH электролита после растворения в нем аммиака. Аммиак подается через барботирующее устройство 3, расположенное в верхней части измерительной ячейки. Работу перемешивающего и барботирующего устройств обеспечивают интенсивный массообмен аммиака и его быстрое растворение в электролите. Электролит с растворенным аммиаком диффундирует из верхней в нижнюю часть измерительной ячейки, где расположены pH-измерительный электрод 1 и электрод сравнения 2. Электролитом служит микромолярный водный раствор NH₄Cl. Разность потенциалов между электродами 1 и 2 пропорциональна pH электролита. Изменение pH электролита пропорционально логарифму концентрации аммиака.

Датчик работает следующим образом (фиг.1).

1. Измерение в жидкостях. Жидкая проба помещается в ячейку 1, в которой находится раствор NaOH или KOH с pH не менее 12. Аммиак, содержащийся в пробе в виде ионов аммония (NH₄⁺) под действием щелочи переходит в газовую фазу (NH₃) и накапливается в верхней части ячейки 1. Кран 5 переведен в положение, соединяющее трубопровод 3 с трубопроводом 7. Аммиак из ячейки 1 нагнетается воздушным насосом 4 через трубопроводы 7 и 3 в измерительную ячейку 2.

2. Измерение в газах. Газообразный аммиак нагнетается воздушным насосом 4 через трубопроводы 6 и 3 в измерительную ячейку 2. Кран 5 переведен в положение, соединяющее трубопровод 6 с трубопроводом 3.

Газообразный аммиак, барботируясь в верхнюю часть измерительной ячейки, растворяется в электролите. Электролитом служит микромолярный раствор NH₄Cl. Вследствие барботажа и работы перемешивающего устройства скорость растворения аммиака выше скорости диффузии аммиака в неподвижной среде в 10⁵ раз. Этим обеспечивается низкая инерционность датчика. Превращения аммиака описываются уравнением Гендерсона-Гассельбаха: lg(NH⁺₄/NH₃) = pH - pK (1) где NH⁺₄ и NH₃ концентрации ионной и газовой форм аммиака, pK - константа диссоциации аммиака, приближенно равная 9. Поскольку pH микромолярного раствора NH₄Cl ниже 9, то по уравнению 1 аммиак в электролите находится в виде ионов NH⁺₄ Применение в качестве электролита низкомолярного раствора NH₄Cl (10^-6) увеличивает чувствительность датчика до 10^-9 моль/л. Перемешивающее устройство обеспечивает устойчивую работу pH-измерительного электрода и электрода сравнения. Подвод аммиака в измерительную ячейку барботажем, а не с помощью самодиффузии через газопроницаемую мембрану, позволяет достоверно определять концентрацию аммиака и в газах с различной влажностью, и в жидкостях, содержащих органические вещества.

Преимуществами предлагаемого устройства являются: высокая чувствительность (диапазон определения 10^-9 10^-1 моль/л); низкая инерционность (время отклика по уровню 0,95 не более 2 мин на всем диапазоне концентраций); достоверность определения концентрации аммиака в газовых пробах с различной влажностью и в водных растворах, содержащих органические вещества (например биологических жидкостях).

Формула изобретения

Датчик для определения концентрации аммиака в жидких и газовых средах, содержащий ячейку пробоподготовки и измерительную ячейку с pН-измерительным электродом, электродом сравнения и узлом подвода пробы, отличающийся тем, что узел подвода пробы выполнен в виде барботирующего устройства, соединенного с ячейкой пробоподготовки, а внутри измерительной ячейки расположено перемешивающее устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2