Способ измерения концентрации кислорода в жидких средах и устройство для его осуществления

 

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<SP POS="POST">-2</SP> 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.

(5!) 4 С 01 N 27/52 ф Г !

I !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ г * «2 "е Ф -"., Я СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

Я= - ." « РЕСПУБЛИК ч

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР! (2I) 4380608/31-25 (22) 18,02.88 (46) 30.10.89. Бюл. 40 (71) Особое конструкторское техноло— гическое бюро Пьезоприбор 1 при Ростовском госудзрственном университете (72) В.И.Янчич и В.В.Янчич (53) 543.272.1 (088.8) (56) Чилая С.М. и др. Рог-мониторика.

Инженерное решение и кардиохирургические опыты. — Тбилиси. . Сабчота Сакартвело, I 986, с . 62-65 .

Interpretation of Static and di— пагп1с responses ..>f à dissolved oxygen electrode in viscons broths.

Analytica Chimica Act.а, 163, 1984, р. 151 †1. (54) СПОСОБ ИЗ!ЖРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

КИСЛОРОДА В ЖИДКИХ СРЕДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 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 устаИзобретение относится к электрохимическим методам измерения концентра— ции кислорода, растнг пенного в жидкости, и может применяться в аналитической химии и биохп.1ическом анализе

„„SU„„1518770 А 1

2 новлена с возможностью свободных колебанийий . Между исследуемой жидк остью, 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 О, !в

0,6 Вт ° см 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 иэ ее поверхностей и подключенными к источнику 14 и измерителю

13 тока двумя измерительными электродами, между которыми помещен слой электролита, а на другой поверхнос— ти расположены дополнительные электроды, подключенные к одному из вьгходных выводов электронного генератора

15 переменного тока, другой вывод которого подключен к измерительным электродам 4, 5 через разделительные конденсаторы заданной величины.

2 с и. ф лы, 2 ил.

Цель изобретения — уменьшение времени, затрачиваемог на измерение концентрации кислорода, за счет сокрашения времени отк. ика измеритель— ного устройства пут м ускорения пере—

15187 70 носа кислорода через слои электролита и газопроницаемую мембрану под действием ультразвука, для чего на электролит, мембрану и исследуемую жидкость со стороны катода воздейст— вуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 200-40000 кГ>l при

-z интенсивности 0,1-0,6 Вт см

Для максимальной стабипьности результатов измерения при воздействии ультразвука необходимо, чтобы параметры колебаний на поверхности катода, в электролите, мембране и прилегающем к ней слое препарата оставались постоянными. Это возможно только в том случае, когда расстояние от поверхности катода до слоя препарата, удаленного от мембраны настолько, что из него кислород уже непосредственно не поступает на катод, в 51О раз меньше четверти длины ультра— звуковой 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 существу— ет предельная частота колебаний, выше которой эффективность предлагаемого способа начнет резко снижаться за счет роста погрешности измерения.

Учитывая, что скорость звука в электролите и наиболее типичных препаратах (водных растворах, эмульrиях и суспензиях) составляет примерно

1500 м с, толщина мембраны — от 2

I 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 Г1Гц. Скорость диффузии на частотах ниже 150-200 кГц при малых интенсивностях заметно снижается, эти частоты можно считать нижним пределом частотного диапазона.

При исследовании влияния интенсивности ультразвуковых колебаний на скорость диффузии кислорода через полупроницаемую мембрану установлено, что при интенси н< сти ниже 0,050,07 Вт< см заметного сокращения времени отклик» пе наблюдается. Ilo мере увеличения интенсивности от

0,1 Вт ° см ii выше время отклина уменьшается. Н»пример, при интенсивности 0,25 Вт см оно в 3-5 раз

-г

5 !

0 !

55 меньше, чем в случае, когд» ультразвуковые колебания выключены. !»льнейшее возрастание интенсивности хотя и способствует еще большему сокращению отклика, однако приводит к нов вышению температуры электролита и препарата вблизи мембраны. В результате для сохранения точности измерения необходимы специальные меры термостатирования. 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 поставленной цели необходимо примене— ние ультразвука с интенсивностью в зоне катода от 0,1 до 0,6 Вт см

На фиг.! изображена конструкция кислородного датчика, на фиг.2 электрическая схема предлагаемого устройства.

Кислородный датчик (фиг.l) состоит из основания l выполненного из ди.>лектрика, в котором на резиновой прокладке 2 установлена электродная подложка 3, выполненная из почяризованного по толщине пьезоэлектрического материала, например пьезоэлектрической керамики или Х-среза монокристалла кварца. Одно из возможных направлений поляризации показано стрелками. I a обоих торцовых поверхностях электродной подложки нанесены в виде тонкого металлического покры тия измерительные 4 и 5 и дополнительные 6 и 7 электроды. Центральный электрод 4 выполнен из платины 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 препаратом

l 5l R

1 2 . 1) г 1 (як ) х к >))(1 l)l )!) )))< 4.<))) f ))è !)(). )()(. ти для )!))рку)))) ц))!) терм(ч T;)тирующей жипк(<.т)!.

В устройстве электродная попложка используется в качестве изолятора для размещения измерительных электро— дон и одновременно является двухсекционным пьезоэлементом.

При измерении концентрации кисло— родэ 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 присое— динен к дополнительному электроду 6, расположенному напротив катода. Второй вывод выходного каскада генератора через разделительные конденсаторы

I6 и 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 че— рез отверстие в дне кювет 10 и полупроницаемую 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.

Генератор 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 значительному 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

l7 исключают шунтирование измеритель770 6 н() и цепи. Их рек,) мсндусмая вол))чина может быть определен» и) ))))р()жс ния .

С(((Срл

10, 5

Ск С)( где С „, C p)(— емкости разделительных конденсаторов, присоединенных к катоду и аноду, соответственно, 10 С ), — емко с ть между катодом и дополнительным электродом, расположенным напротив като— да, С вЂ” емкость между анодом и этим же дополнительным электродом.

Равенство отношений емкостей обеспечивает отсутствие разности потен20 циалов переменной составляющей между измерительными электродами вследствие равных падений напряжения на участках пьезоматериала между каждым из измерительных электродов 4 и 5 и до25 полнительным электродом 6, подключенным к выходу генератора 15. Рекомендуемая величина отношений емкостей при незначительном падении напряжения на разделительных конденсаторах

3р не приводит к заметному возрастанию постоянной времени измеритель йзй 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 °

4pФормулаизобретения

1. Способ измерения концентрации кислорода в жидких средах путем восстановления кислорода на катоде под

45 воздействием электрического потенциала и измерения электрического тока, протекающего через электролит, отде ляемый от исследуемой жидкости полупроницаемой мембраной, по величине 0 которого судят о концентрации кислорода,отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса измерения за счет сокращения времени отклика, на электролит, мембрану и исследуемую жидкость со стороны катода воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазон частот 2004000 кГц при интенсивности 0,106Втсм

1 ) I 87 if!

l< (<(P! l (!! ° )IЬ!)! !! Э (l(VТ PC)jg », 1!1 () Т

И Д !1 Ч If!(> (. ()Jl < РЖ 1ЩИЙ ОС!1О В(lн ИЕ > электродную !<одложку с размещ(иными на одной из ее поверхностей и подклюполн«н;! и» поляризованного пьезо— ченнь<ми к источнику и измерителю то— денив

12 11

6 5 7

Фиг.2

Составитель М. Вишневский

Редактор Л. Пчолинская Техред А. Кран чук Корректор М.Самборская

:)ак,»» Ь!302/51 Типаж 789 Подписное

ВНИ1И1И I сударственног<) комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5! р, и»)»<11!(тв ° нн(> — !!.»дательский комбинат "11атент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 (("! 1(((l! (1 H() jl (I )< !» I(1)(II II)f к (> ив !!< Ill f);)1!1!1! к!«. 1()p да 1» ж)!дких с1)(д:!х, с <)11«1)ж;!!!1((If< I < > « н ик 1(() (т< >я нно 1 <) .)JIeк1 pH lt ског() 1 ока) изм(pHтель ток(1 ка двумя и»мерительными электродами, между которыми помещен слой электролита, кювету для исследуемой жидкос— ти н полупроницаемую мембрану, размещеннуf<) между исследуемой жидкостью!! 1! 1 н) Щ < t(< Я т < м > IT() с Ilt

1!! )<) (() к1)()1(1(зния в1)еf!t Hll ()Tf(JIIIK;I Jlt кTpC)JI fl JH II()jl J1C»)f(Ki3 )i T 1н< HJI«H I

5 можн() с и ю с вободных к(л(баний и выэш ктр!(ческого материала, а на снов бодной от измерительных электродов поверхности электродной площадки напротив катода расположен по крайней мере один дополнительный электрод для передачи ультра звуконого нозбуж