Электрод сравнения длительного действия для экологических исследований



Электрод сравнения длительного действия для экологических исследований
Электрод сравнения длительного действия для экологических исследований
Электрод сравнения длительного действия для экологических исследований

 


Владельцы патента RU 2598398:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН "МГИ РАН") (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для задач океанографии. Электрод сравнения согласно изобретению содержит корпус с электролитическим ключом, заполненные электролитом, сообщающимся с исследуемой средой через ключ, расположенную в корпусе потенциалообразующую ячейку, вывод которой является выходом устройства, и эластичную электролитическую камеру, заполненную электролитом, сообщающимся с электролитом корпуса. При этом эластичная электролитическая камера имеет заданный объем и на ней установлен груз. Электрод дополнительно содержит нормирующий капилляр, который установлен на пути истечения электролита из эластичной камеры в исследуемую среду. Изобретение обеспечивает пассивную стабилизацию расхода истечения электролита через ключ электрода сравнения при обеспечении заданной скорости истечения электролита. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике измерений гидрохимических параметров водных сред в океанографических, гидрографических и экологических исследованиях и может быть использовано в различных технологических процессах, связанных с контролем концентрации (активности) ионов растворенных веществ.

Экологические исследования мирового океана (и мониторинг) проводят с помощью станций длительного действия, т.е. без обслуживания оператором в течение значительного времени [1]. Если на таких станциях применяют измерители гидрохимических параметров, построенные на потенциометрических принципах, то, обычно, такие измерители содержат, помимо информационных электродов, электроды сравнения проточного действия, которые должны работать также длительное время.

Широко известен электрод сравнения лабораторного типа ЭВЛ-1М3.1 [2], где электролитической камерой является корпус электрода. Избыточное давление в ней обеспечивается за счет перепада давлений в сообщающихся сосудах - емкость с электролитом всегда находится выше сосуда с исследуемой жидкостью, куда поступает электролит из ключа электрода. Этому устройству свойственно техническое противоречие: из-за малого содержания электролита в камере электрода и отсутствия герметизации электролит при длительной эксплуатации электрода высыхает, что повышает концентрацию электролита, и приводит к образованию кристаллов, загрязняющих электролитический ключ. Как только электролитическую камеру загерметизировать от внешней среды - вытекание прекратится. Для этого и применяют в нем пробку для прекращения вытекания электролита в нерабочем режиме. Кроме указанного противоречия, основным недостатком устройства является сам принцип создания избыточного давления в емкости с электролитом для обеспечения его вытекания в исследуемую среду. Известно, что расход истечения жидкости (объем в ед. времени) с учетом формулы Торричелли для вытекания жидкости из сосуда имеет вид [3, с. 122]:

где πr2 - площадь отверстия, через которое вытекает жидкость;

h - высота уровня жидкости над отверстием;

g - ускорение свободного падения.

По мере вытекания электролита из этого электрода сравнения высота уровня жидкости над отверстием, откуда истекает электролит, изменяется, а значит и изменяется скорость истечения электролита, от которой, как известно, зависит потенциал электрода сравнения у ключа, приводящий к искажению результатов анализа - слишком малый расход внутреннего электролита электрода сравнения приводит к весьма ощутимым диффузионным потенциалам [4, с. 24, 25].

Для иллюстрации влияния уровня электролита в известном электроде сравнения ЭВЛ-1М3.1 приведем следующие допущения и расчеты. Согласно паспорту и инструкции на этот электрод максимальная высота уровня заполнения электролитом составляет 0,08 м, а максимальный расход истечения электролита составляет 3,5 мл/сутки. Рассчитаем эквивалентную площадь отверстия, через которое истекает электролит, используя формулу (1):

Рассчитаем теперь значения расхода истечения жидкости при изменении уровня электролита в лабораторном электроде от 0,08 до 0 м, используя формулу (1).

На фиг. 1 отображена зависимость расхода истечения жидкости при изменении уровня электролита в лабораторном электроде от 0,08 до 0 м, откуда видно, что изменение уровня электролита от 0,08 м до 0,0005 м приводит к изменению его расхода истечения более чем на порядок - в 12,6 раз.

Известен электрод сравнения [5], который герметичен, а избыточное давление в цилиндре с электролитом создается с помощью сжатой пружины, которая давит на поршень. Это техническое решение имеет тот же недостаток, т.к. пружина уменьшает избыточное давление в цилиндре по мере ее распрямления.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является электрод сравнения, предложенный Бен-Яковым и Капланом [4], где избыточное давление создается за счет упругих свойств эластичной камеры с электролитом. Это устройство принято в качестве прототипа заявленного изобретения.

Электрод состоит из оргстеклянного корпуса, внутренний объем которого соединен посредством трубки с резиновой грушей и заполнен раствором KCl. В корпус вклеена серебряная проволока. На проволоку, расположенную в растворе электролита, нанесен слой хлористого серебра. Серебряная проволока в контакте с хлористым серебром, смоченным в растворе KCl, представляют собой потенциалообразующий элемент со стабильным потенциалом точно так же, как и в аналоге [2] - электроде сравнения лабораторного типа ЭВЛ-1М3.1. Тефлоновая гайка посредством пружины из нержавеющей стали прижимает к торцу корпуса солевой мостик, выполняющий роль ключа. Для герметизации солевого мостика служит резиновое кольцо. Тефлоновая гайка, пружина и резиновое кольцо здесь необходимы для разборки, оперативной промывки или замены ключа в случае его загрязнения, но электрод ЭВЛ-1М3.1 технологически более современен, т.к. стеклянный ключ в нем приварен к стеклянному корпусу, а в случае загрязнения его можно просто проварить в воде согласно инструкции. Так что принципиальной разницы между основными элементами прототипа без эластичной камеры и лабораторными электродами, как в комбинированных электродах рН типа ЭСК-10603 или ЭВЛ-1М3.1, нет.

Общими существенными признаками прототипа и заявленного технического решения являются: корпус с электролитическим ключом, заполненные электролитом, сообщающимся с исследуемой средой через ключ, расположенный в корпусе потенциалообразующий элемент, вывод которого является выходом устройства, и эластичная электролитическая камера, заполненная электролитом, сообщающимся с электролитом корпуса.

В основу изобретения поставлена задача создания электрода сравнения длительного действия, в котором избыточное давление в электролитической камере было бы мало изменяемым и обеспечивало заданную скоростью истечения электролита.

Достижение технического результата изобретения - пассивная стабилизация расхода истечения электролита через ключ электрода сравнения при обеспечении заданной скорости истечения - обусловлено, в отличие от известных решений, не весом столба электролита или усилием упругих свойств элементов, сжимающих эластичную камеру над отверстием истечения электролита (упругие свойства этих элементов со временем изменяются), а весом груза, давящего на эластичную камеру с постоянной силой (масса груза со временем не изменяется), при этом скорость истечения электролита определяется сечением отверстия нормирующего капилляра, обеспечивающего необходимое гидросопротивление вытеканию.

Поставленная задача решается тем, что в предложенном электроде сравнения длительного действия для экологических исследований, содержащем корпус с электролитическим ключом, заполненные электролитом, сообщающимся с исследуемой средой через ключ, расположенную в корпусе потенциалообразующую ячейку, вывод которой является выходом устройства, и эластичную электролитическую камеру, заполненную электролитом, сообщающимся с электролитом корпуса, новым является то, что на эластичной электролитической камере установлен груз, вес которого значительно превышает вес электролита в эластичной камере, при этом электрод сравнения содержит нормирующий капилляр, который установлен на пути вытекания электролита из эластичной камеры через корпус в исследуемую среду.

Конкретный пример исполнения заявленного устройства изображен на фиг. 2. Устройство содержит эластичную камеру 1 заданного объема, на которой сверху установлен груз заданного веса в виде крышки 2, закрепленной на оболочке камеры через уплотнение (на чертеже позицией не обозначено). В данном случае камера 1 выполнена в виде сильфона. В крышке 2 с герметизацией установлен ниппель 3. Устройство содержит нормирующий капилляр 4, установленный в данном случае внизу камеры 2 в месте истечения из нее электролита в шланг 5, который закреплен на капилляре 4 с герметизацией. Другой конец шланга 5 с герметизацией закреплен на патрубке (позицией не обозначен) корпуса 6. Корпус 6 содержит электролитический ключ 7 электрода сравнения. Полость корпуса 6 заполнена электролитом, в котором расположена потенциалообразующая ячейка 8, вывод которой (позицией не обозначен) является выходом устройства. Эластичная камера 1 помещена в ограждение 9.

Нормирующий капилляр 4 может быть установлен не только в месте соединения камеры 1 со шлангом 5, но и в любом другом месте на пути движения электролита из камеры 1 в исследуемую среду: в теле шланга 5; в месте соединения другого конца шланга 5 с корпусом 6, например, в патрубке корпуса; сам электролитический ключ 7 может быть выполнен на базе нормирующего капилляра; или нормирующий капилляр 4 может быть установлен на конце дополнительно введенной насадки (на чертеже не показана), которая с уплотнением закреплена на корпусе 6 в зоне расположения электролитического ключа 7 - такой вариант местоположения нормирующего капилляра позволяет использовать стандартный лабораторный электрод ЭВЛ-1М3.1, как дополнительные ячейка с ключом, выпускаемые Гомельским заводом измерительных приборов.

Эластичная камера 1 может быть выполнена из латекса, который известен своей устойчивостью к агрессивным средам, или гофрированного эластичного пластика, значительно изменяющего свой объем при растягивании. Ограждение 9 и крышка 2 могут быть выполнены из нейтральной пластмассы, например, из оргстекла. В качестве ниппеля 3 может быть использован велосипедный ниппель. Нормирующий капилляр 4 может быть выполнен из стекла, керамики, инертного испеченного или другого материала из большого числа материалов разной пористости, указанных в [6] и позволяющих создать эквивалентную площадь отверстия почти с любой необходимой степенью истечения.

Заправку камеры 1 электролитом осуществляют через ниппель 3 шприцем или каким-либо другим эластичным сжимаемым наполненным электролитом устройством, при этом герметичность камеры не нарушается. Функционирование электрода сравнения сводится к тому, что эластичная камера 1 сжимается под действием веса крышки 2, выдавливая электролит через цепочку (в данном примере) нормирующий капилляр 4 - шланг 5 - корпус 6 - электролитический ключ 7 - в исследуемую среду до тех пор, пока крышка 2 не ляжет на пустую оболочку камеры 1 и не прижмет ее к днищу ограждения 9. (Естественно, в конце этого процесса в элементах электрода сравнения, в том числе и в камере 1, останется некоторая «нерабочая» часть электролита, не выдавленная в исследуемую среду. Объем камеры 1 задают с учетом этой остающейся части электролита.)

Работает заявленное устройство следующим образом. Пусть в качестве корпуса 6 (с ключом 7 и ячейкой 8) применен лабораторный электрод сравнения ЭВЛ-1М3.1 со следующими конструктивными параметрами - высотой столба электролита примерно 0,08 м и диаметром 0,012 м. Для увеличения времени работы электрода эластичная камера 1 заполнена электролитом объемом, соответствующим высоте столба 0,8 м с диаметром 0,012 м. На заполненную электролитом камеру 1 установлен груз 2, эквивалентный весу столба электролита высотой 8 м и диаметром 0,012 м. Если учесть, что электрод заправляют обычно насыщенным раствором хлористого натрия, удельный вес которого равен 1210 кГ/м3, то вес этого столба составит 1,09 кГ. В отличие от прототипа, где избыточное давление в камере с электролитом создается упругими свойствами камеры, выполненной в виде резиновой груши, груз 2 давит на камеру своим весом, выдавливая электролит через ключ 7 электрода сравнения во внешнюю среду. Из-за того, что вес груза значительно превышает вес электролита в камере, избыточное давление в камере определяется, в основном, весом груза 2 на фоне уменьшаемого в камере веса электролита вследствие его истечения. С учетом изменяемого веса выжимаемого электролита из электролитической камеры 1 формула расхода жидкости теперь примет вид

где высота столба электролита в самом электроде 0,08 м из-за малости не учитывается.

В результате картина изменяемого значения расхода истечения жидкости в предлагаемом техническом решении при изменении эквивалентного уровня электролита в камере от 0,8 до 0 м будет иметь вид, изображенный на фиг. 3, откуда видно, что расход истечения жидкости в предлагаемом техническом решении значительно стабилизировался - изменение от начала истечения электролита составило всего в 1,049 раз, и прекращается лишь при полном расходе электролита. Увеличение расхода электролита через ключ из-за увеличения избыточного давления в предложенном техническом решении компенсируют путем уменьшения эквивалентной площади отверстия нормирующего капилляра, например, подбором необходимой пористости материала, размещенного в капилляре.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Petersen W., Petschatnikov M., Wehde H., Schroeder F. FerryBox - Real-Time Monitoring of Water Quality by Ferryboats/Environmental research, engineering and management, 2005. No. 3(33), P. 12-17.

2. Электроды вспомогательные лабораторные хлорсеребряные ЭВЛ-1М1, ЭВЛ-1М3.1. Паспорт. Минск «Полымя», 1988 г.

3. Кухлинг X. Справочник по физике / Пер. с нем. под ред. Е.М. Лейкина - М.: Мир, 1982, - 520 с.

4. Рабинович М.Е., Внуков Ю.Л. Методы измерения гидрохимических параметров и их применение в зондирующих комплексах МГИ НАН Украины / Препринт МГИ НАН Украины - Севастополь.: СО «ЭКОСИ - Гидрофизика», 1995, - 76 с (прототип).

5. Патент на винахiд №93299 України, МПК G01N 27/416. «Проточний допомiжний єлектрод (варiанти)» / М.Я. Данiленко, I.Г. Кiрющенко (Украiна) - заявка № а 2009 07075; Заявлено 06.07.2009, опубл. 05.01.2011. Бюл. №2.

6. Камман К. Работа с ионселективными электродами / Пер. с нем., под ред. док. хим. наук О.М. Петрухина - М.: Мир, 1980, - 283 с.

Электрод сравнения длительного действия для экологических исследований, содержащий корпус с электролитическим ключом, заполненные электролитом, сообщающимся с исследуемой средой через ключ, расположенную в корпусе потенциалообразующую ячейку, вывод которой является выходом устройства, и эластичную электролитическую камеру, заполненную электролитом, сообщающимся с электролитом корпуса, отличающийся тем, что на эластичной электролитической камере установлен груз, вес которого значительно превышает вес электролита в эластичной камере, при этом электрод сравнения содержит нормирующий капилляр, который установлен на пути вытекания электролита из эластичной камеры через корпус в исследуемую среду.



 

Похожие патенты:

Использование: для химических датчиков. Сущность изобретения заключается в том, что датчик обнаружения оксидов азота содержит подложку, включающую пористую мембрану, соединение ароматических аминов, систему протока газа, оптическую систему обнаружения для приема переданного света от соединения ароматических аминов для обнаружения оптических изменений соединения ароматических аминов, причем соединение ароматических аминов содержит соединение, выбранное из группы, состоящей из: ароматических моноаминов, производных ароматических моноаминов и 1,2-диаминобензола.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрологии и химическом анализе жидкостей. Технический результат - исключение фактора влияния температуры жидкости на результат измерений, что повышает точность определения рН жидкости. Сущность: Согласно способу используют включенные в измерительные цепи вторичных измерительных преобразователей электрод сравнения и два ионоселективных измерительных электрода с одинаковыми параметрами тепловой инерции и разными параметрами их изопотенциальных точек, соответственно помещают электроды в жидкость, регистрируют потенциалы Е1 и Е2 на выходах первого и второго измерительных электродов и вычисляют рН жидкости по формуле Устройство содержит электрод сравнения, два ионоселективных измерительных электрода с одинаковыми параметрами тепловой инерции и разными параметрами их изопотенциальных точек, первый и второй вторичные измерительные преобразователи ВИП-1 и ВИП-2, к входам которых подключены электрод сравнения и соответственно первый и второй измерительные электроды, выходы ВИП-1 и ВИП-2 подключены к входам соответственно первого и второго преобразователей напряжения в цифру, выходы которых подключены к микропроцессору, выход которого является выходом устройства.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложена биосенсорная система и тестовые сенсоры (варианты) для определения концентрации анализируемого вещества в образце.

Изобретение относится к медицине и описывает композицию ферментных чернил, содержащую фермент, способный избирательно распознавать глюкозу в пробе крови, медиатор и первый и второй пирогенный диоксид кремния, в которой первый пирогенный диоксид кремния имеет удельную поверхность по БЭТ в диапазоне от приблизительно 130 до 170 м2/г и содержание углерода от приблизительно 0,8 до приблизительно 1,23% вес., а второй пирогенный диоксид кремния имеет удельную поверхность по БЭТ в диапазоне от приблизительно 270 до 330 м2/г и содержание углерода от приблизительно 1,4 до приблизительно 2,6% вес.

Использование: для контроля состава природных, сточных вод, биологических объектов, пищевых продуктов, диагностики заболеваний в химической, металлургической, пищевой промышленности, медицине, экологии.

Изобретение относится к потенциометрическим методам анализа и контроля концентрации ионов в водных растворах и может быть использовано в химической, металлургической отраслях промышленности, в оптической химии и в практике научных исследований.

Изобретение относится к ферментному электроду, включающему частицы углерода, несущие глюкозодегидрогеназу (GDH) с флавинадениндинуклеотидом (FAD) в качестве кофермента; и электродный слой, контактирующий с указанными частицами углерода, причем частицы углерода и электродный слой состоят из частиц углерода с диаметром частицы не более 100 нм и удельной поверхностью по меньшей мере 200 м2 /г.

Изобретение относится к системам обнаружения состояния недостаточного заполнения электрохимического биосенсора. .

Изобретение относится к электрохимическим биосенсорным полоскам и способам определения концентрации аналита в пробе. .
Наверх