Электрохимический датчик кислорода

 

Область применения: определение содержания кислорода в газообразной среде. Сущность изобретения: датчик содержит размещенные в корпусе электролит и электроды. Корпус герметизирован с торцов газодиффузионной и газонепроницаемой мембранами. В период хранения датчика газовая камера, расположенная над газодиффузионной мембраной и примыкающая к катоду, разделена на две части двухслойной перегородкой. Нижняя часть камеры между газодиффузионной мембраной и перегородкой заполнена инертным газом, а верхняя часть заполнена воздухом и выполнена с двумя отверстиями для ввода и вывода газа. Нижний слой перегородки выполнен в виде пористой фторопластовой мембраны, а верхний слой в виде пленки из газонепроницаемого полимера. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, обеспечивающим определение содержания кислорода в газообразной среде, и может быть использовано в промышленности для контроля и автоматизации химических и биохимических процессов, а также в медицине для контроля содержания кислорода в барокамерах.

Известны электрохимические датчики кислорода, работающие как источники электрического тока, величина которого линейно связана с содержанием кислорода в анализируемой среде. Такие датчики содержат корпус, изготовленный из токонепроводящего материала, катод из металла каталитически активного к процессу восстановления кислорода, анод - свинцовый, цинковый или кадмиевый, газодиффузионную мембрану [1].

Недостатком таких датчиков является ограниченный ресурс работы, связанный с выработкой активной массы анода. Так как кислород в воздухе присутствует постоянно, то ресурс вырабатывается даже в период хранения датчиков.

Известен портативный автоматический газоанализатор, смеси сероводорода и кислорода, основными элементами которого являются электрохимические датчики сероводорода и кислорода. Датчик кислорода содержит катод, представляющий собой торец проволоки из золота, покрытый газодиффузионной мембраной, свинцовый анод и щелочной электролит. Ресурс работы датчика 6000 ч, но так как кислород постоянно присутствует в воздухе, то для того чтобы ресурс не вырабатывался в период хранения, датчик помещается в металлический контейнер, заполненный инертным газом [2].

Недостатком такого устройства является сложность изготовления, возможная только в заводских условиях, а также большой объем инертного газа, что может привести к испарению части электролита и уменьшению ресурса работы датчика.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа является газоанализатор, датчик которого представляет собой электрохимическое устройство, содержащее щелочный электролит, катод в виде перфорированного золотого диска, анод, изготовленный из свинцовой проволоки, газодиффузионному мембрану, плотно прилегающую к катоду, и эластичную мембрану со стороны анода, которые герметизируют пластмассовый цилиндрический корпус. Над газодиффузионной мембраной размещена небольшая газовая камера, закрытая резиновой пробкой [3].

Недостатком такого устройства является изменение показаний датчика после разгерметизации, превышающее его погрешность. Это происходит потому, что кислород воздуха в газовой камере над мембраной вырабатывается датчиком, давление понижается, а это приводит к прогибу не только резиновой пробки, но и газодиффузионной мембраны.

Целью изобретения является повышение срока службы датчика кислорода.

Поставленная цель достигается тем, что в электрохимическом датчике кислорода, содержащем электролит и электроды, размещенные в корпусе, герметизированном с торцов газодиффузионной и газонепроницаемой мембранами, и газовую камеру, расположенную над газодиффуционной мембраной, примыкающей к катоду, газовая камера в период хранения разделена на две части двухслойной перегородкой, нижний слой которой выполнен в виде пористой фторопластовой мембраны, а верхний слой - в виде пленки из газонепроницаемого полимера, при этом нижняя часть газовой камеры между газодиффузионной мембраной и перегородкой заполнена инертным газом, а верхняя камера заполнена воздухом и выполнена с двумя отверстиями для ввода и вывода газа.

Сущность изобретения заключается в том, что отсутствие кислорода в газодиффузионной камере в период хранения приводит к прекращению электрохимической реакции восстановления кислорода на катоде. Соответственно прекращается и анодная реакция образования окисных соединений свинца, а запас свинца, в основном, и определяет ресурс работы датчика. Метрологические характеристики датчика (чувствительность и погрешность) определяются толщиной диффузионного слоя, который благодаря очень плотному прилеганию катода к мембране локализуется в последней. Следовательно, во время хранения толщина диффузионного слоя не должна нарушаться, что наблюдается при хранении датчика, закрытого резиновой пробкой. Применение газовой камеры с двумя отделениями, разделенными двухслойной мембраной, позволяет загерметизировать датчик и хранить его в таких условиях, когда давление электролита на газодиффузионную мембрану с одной стороны и инертного газа с другой стороны будет одинаково, а следовательно, и толщина диффузионного слоя не будет меняться.

На чертеже представлен предлагаемый датчик.

Электрохимический датчик кислорода состоит из корпуса 1 и газовой камеры 2, выполненных из пластмассы. В корпусе 1 датчика размещены серебрянный или золотой катод 3 и плотно прилегающая к нему газодиффузионная мембрана 4, щелочной электролит 5, свинцовый анод 6, компенсационная мембрана 7 из газонепроницаемого полимера. Датчик герметизируется газодиффузионной и компенсационной мембранами, резиновыми прокладками 8 и пластмассовыми кольцами 9. На датчике расположены двухслойная мембрана с перегородками 10 и 11 и газовая камера 2, состоящая из двух отделений 12 и 13. Газовая камера герметично присоединена к корпусу с помощью резиновой прокладки 8 пористой фторпластовой перегородки 10 и резьбы на корпусе и камере. Газовая камера содержит два штуцера 14 для ввода и вывода газа или ввода иглы шприца с жидким материалом перегородки 11.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

В отсутствие перегородок 10 и 11 проводят калибровку датчика, пропуская через газовую камеру 2 поверочные газовые смеси (ПГС). При этом кислород из ПГС диффундирует через газодиффузионную мембрану 4 и восстанавливается на катоде 3, а свинцовый анод 6 окисляется, в результате чего генерируется электрический ток, величина которого пропорциональна концентрации кислорода. После калибровки датчик готовят к хранению следующим образом. Между газовой камерой и датчиком размещают пористую фторпластовую мембрану 10. Через верхнее отделение газовой камеры 13 пропускают инертный газ, при этом нижнее отделение 12 также заполняется инертным газом. Когда выходной сигнал датчика будет равен "0", через штуцер для вывода газа 14 с помощью шприца вводится водный раствор (5-10%) поливинилового спирта, а затем 3%-ный раствор буры для структурирования пленки поливинилового спирта. Поток инертного газа отключают. Перед эксплуатацией датчика газовую камеру окручивают, перегородку удаляют, и газовая камера опять служит для подачи анализируемого газа.

Конструкция датчика позволяет проводить многоразовое его использование, так как разгерметизированный датчик можно опять загерметизировать, заменяя разделительные мембраны.

Изобретение позволяет увеличить ресурс работы датчика и его метрологические характеристики. В таблице представлены технологические характеристики прототипа и предлагаемого датчика до и после хранения в течение 18000 ч.

По сравнению с техническим решением, выбранным в качестве прототипа, предлагаемое техническое решение обладает следующими преимуществами: конструкция датчика позволяет увеличить ресурс работы датчикам с сохранением достаточно высоких метрологических характеристик; газовая камера датчика является многофункциональной, так как служит для калибровки датчика и его хранения; простота и удобство работы датчика, возможность быстрой подготовки датчика к работе; возможность повторной герметизации датчика заменой разделительной мембраны.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КИСЛОРОДА, содержащий электролит и электроды, размещенные в корпусе, герметизированном с торцов газодиффузионной и газонепроницаемой мембранами, и газовую камеру, расположенную над газодиффузионной мембраной, примыкающей к катоду, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы, газовая камера в период хранения дополнительно содержит двуслойную съемную перегородку, нижний слой которой выполнен в виде пористой фторопластовой мембраны, а верхний слой - из пленки газонепроницаемого полимера, при этом нижняя часть газовой камеры между газодиффузионной мембраной и перегородкой заполнена инертным газом, а верхняя камера - воздухом и снабжена двумя отверстиями для ввода и вывода газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2