RU2665792C1 - Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды - Google Patents
Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2665792C1 RU2665792C1 RU2017137343A RU2017137343A RU2665792C1 RU 2665792 C1 RU2665792 C1 RU 2665792C1 RU 2017137343 A RU2017137343 A RU 2017137343A RU 2017137343 A RU2017137343 A RU 2017137343A RU 2665792 C1 RU2665792 C1 RU 2665792C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- electrode
- concentration
- determining
- medium according
- Prior art date
Links
- 239000012533 medium component Substances 0.000 title abstract description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 47
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 25
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 23
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 15
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 7
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims 1
- 239000000306 component Substances 0.000 abstract description 41
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 34
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 17
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003969 polarography Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GGCZERPQGJTIQP-UHFFFAOYSA-N sodium;9,10-dioxoanthracene-2-sulfonic acid Chemical compound [Na+].C1=CC=C2C(=O)C3=CC(S(=O)(=O)O)=CC=C3C(=O)C2=C1 GGCZERPQGJTIQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Использование: для определения концентрации компонента газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала, и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику напряжения. Технический результат обеспечение возможности повышения эффективности измерений. 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к компонентам медицинской техники, в частности к датчикам определения концентрации компонента газовой среды, основанным на использовании принципа действия электрода Кларка. Чувствительные элементы используются для определения парциального давления компонентов растворенных в воздушных смесях или иных газообразных средах. Однако, сфера использования элемента не ограничивается исключительно применением в медицинской технике.
Чувствительный элемент может найти применение в различных отраслях промышленности для решения задач по определению содержания компонента газовой среды.
Известно применение гальванических чувствительных элементов для определения концентрации химического элемента или соединения в газовой среде. Известны, например, устройства для измерения кислорода, созданные на основе гальванической пары, содержащие в своем составе катод с анодом, раствор кислоты (или щелочи) служащий электролитом и селективную мембрану, пропускающую кислород и отделяющую электрохимическую ячейку от газовой среды, для которой производят измерение.
Принцип действия таких устройств заключается во вступлении в реакцию кислорода на поверхности катода с образованием оксидного соединения, растворимого в кислой или щелочной среде.
Количество растворенного оксида пропорционально концентрации кислорода в исследуемой газовой среде. Показатели электрохимической ячейки снимают амперметром, вычисляя, впоследствии, искомую величину. Гальванические датчики, в основе которых лежит использование указанного метода наряду с рядом преимуществ, обладают и существенными недостатками, среди которых особенно выражены относительно невысокий срок службы, связанный с утратой электролитом способности растворять оксид материала катода со временем и высокая минимальная инерционность системы, построенной на основе гальванического элемента, выражающаяся в увеличении времени отклика и, соответственно, невозможности своевременного мониторинга концентрации компонента среды. Данный недостаток особенно проявляется в ситуациях, при которых концентрация компонента газовой среды может меняться в течение коротких промежутков времени.
Иным механизмом функционирования обладают электрохимические чувствительные элементы, применяющиеся для полярографического метода определения компонента газовой среды. Полярографический анализ основан на возможности электрохимического восстановления или окисления нейтральных молекул анализируемого компонента газовой смеси на поверхности рабочего (первого) электрода. Для каждого вида анализируемого компонента газовой смеси необходим определенный потенциал электрода. С точки зрения механики процесса, реакция, происходящая на электроде, состоит из нескольких стадий: диффузия молекул анализируемого компонента газовой смеси через мембрану в окружающий электрод электролит, подвод частиц из объема электролита к поверхности электрода, электрохимическое превращение молекул анализируемого компонента газовой смеси и отвод продуктов реакции в раствор электролита. Определение потенциала электрода производят посредством электрода (второго) сравнения, взаимодействующего с первым электродом через раствор электролита путем приложения внешнего поляризующего напряжения. Селективная мембрана, как и в случае с гальваническим элементом, отделяет исследуемую газовую среду от внутреннего объема ячейки. В общем случае электрод, в котором применен полярографический метод анализа концентрации компонента среды называют электродом Кларка.
Чувствительный элемент, функционирующий на основе указанных принципов, отвечает требованиям, предъявляемым к устройствам для определения компонента газовой среды, в частном случае - кислорода, в медицине.
Из уровня техники известны различные конструктивные реализации чувствительных элементов на основе электрода Кларка. Так, известно устройство по патенту США на изобретение №5,030,663 «Polarographicoxygensensor (Полярографический датчик кислорода)» (заявка №403,832 от 05.09.1989, заявитель CameronJ. Koch, МПК G01N 27/404). Устройство по указанному патенту представляет собой полярографический датчик, состоящий из катодного и анодного узлов, среды электролита и селективной мембраны. Катодный узел содержит удлиненный корпус с продольным отверстием, проволоку из благородных металлов, концы которой выступают из указанного отверстия, указанная проволока запаяна в стекло в месте выступа из отверстия. Анод имеет трубчатую форму, из которой выступает катодный узел. Мембрана выполнена из инертного материала, который является проницаемым для газа и непроницаемым для водяных паров и газообразных растворенных примесей. Изделие по указанному патенту обладает рядом недостатков. В частности, использование жидкого электролита сокращает срок службы датчика, поскольку невозможно исключить испарение электролита при эксплуатации устройства.
Решить проблему испарения электролита позволяет применение полутвердых и твердых химических соединений. Так, в патенте США на изобретение №4975175 «Miniaturized oxygen electrode and miniaturized biosensor and production process thereof (Уменьшенный кислородный электрод, уменьшенный биосенсор и способ их производства)» (заявка №07366365 от 27.03.1987, заявители Isao Karube, Fujitsu Ltd., МПК G01N 27/404) раскрыто техническое решение, относящееся к датчикам кислорода на основе электрода Кларка, содержащее, по меньшей мере, одно углубление, для размещения среды электролита, электроды - катод и анод, размещенные в нижней части углубления, взаимодействующие с электролитом. Электролит, твердый или полутвердый, пористый, который заполняет собой указанное углубление корпуса и расположенную поверх электролита газопроницаемую мембрану. Указанное техническое решение обладает следующими недостатками: Устройство предназначено для измерения содержания кислорода в жидких средах, является технологически сложным в производстве, имеет сложную конструкцию, с возможностью производства по технологии изготовления микроэлектронных элементов. Кроме того, устройство предназначено для разовых измерений или одноразовых сенсоров, а не для длительных измерений в реальном времени (сутки и более) и обладает низким быстродействием.
Наиболее близким техническим решением является устройство по патенту РФ на изобретение №2614348 «Полярографический датчик кислорода» (заявка №2015148368 от 10.11.2015, заявитель АО НПО «НЭМП», МПК G01N 27/48; G01N 27/404). Указанный датчик кислорода содержит корпус с отверстием в верхней торцевой части, выполненный из оргстекла, заполненный электролитом. Внутри корпуса в электролите установлены катод, выполненный из платиновой проволоки, и анод, в качестве которого использована серебряная проволока, покрытая хлористым серебром. Катод отделяется от анода за счет его размещения внутри изолирующего элемента, выполненного из оргстекла. При этом торцевая поверхность катода конформна к выполненной округлой торцевой поверхности изолирующего элемента, что обеспечивает плотное прилегание опорного слоя комбинированной мембраны к катоду. На боковой поверхности изолирующего элемента устанавливается анод. Отверстие в корпусе закрыто газопроницаемой комбинированной мембраной, отделяющей электрохимическую систему от исследуемой среды и предохраняющей электроды от загрязнения, состоящей из опорного слоя, прилегающего к катоду, и селективного слоя, контактирующего с водной средой. Устройство обеспечивает точное измерение концентрации кислорода в жидкостях, но, вместе с тем, обладает существенными недостатками. В общем случае, корпус заполняется жидким электролитом, что отрицательно влияет на срок действия устройства, поскольку жидкость испаряется через элементы фиксации мембраны. В дополнение, устройство предназначено для измерения в жидких средах и обладает низким быстродействием.
Предлагаемое техническое решение устраняет перечисленные недостатки аналогов и позволяет решить техническую проблему, заключающуюся в создании устройства для измерения содержания компонента в газовой среде, позволяющего повысить эффективность измерений, посредством снижения времени отклика чувствительного элемента, упростить мониторинг измерения компонента в газовых смесях посредством увеличения времени эксплуатации, уменьшить геометрические размеры элемента, сохранив, при этом высокую технологичность устройства, а также расширить диапазон температур измеряемых газовых смесей.
Техническая проблема преодолевается предложенным решением следующим образом. Чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды, содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, при этом первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала, и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику внешнего напряжения поляризации.
В первом частном случае выполнения чувствительный элемент отличается тем, что определяемым компонентом газовой среды является кислород.
Иной частный случай выполнения предполагает коаксиальное взаимное размещение первого и второго электрода.
Третий частный случай выполнения характеризуется тем, что перегородка, проницаемая для кислорода выполнена в виде мембраны.
В следующем частном случае выполнения чувствительный элемент дополнительно характеризуется тем, что камера снабжена средствами фиксации мембраны по периметру.
Уточнением указанного частного случая, является выполнение мембраны чувствительного элемента из полимерного материала.
В развитие указанного уточнения частного случая, чувствительный элемент для определения содержания компонента газовой среды дополнительно характеризуется тем, что мембрана выполнена из полимерного материала.
Целесообразно для подключения к измерительным аппаратам (внешним устройствам) снабдить электроды чувствительного элемента выходами.
Внешним устройством, как указано в следующем частном случае, выступает модуль обработки сигнала, с которым соединены выходы электродов.
В очередном частном случае, техническая проблема дополнительно решается тем, что первый электрод чувствительного элемента выполнен в форме стержня.
Целесообразно размещение первого электрода таким образом, что достигают, по существу, прилегание электрода к перегородке через тонкий слой электролита, толщиной, предпочтительно, менее 0,1 мм. В совокупности с предыдущим частным случаем выполнения, местом контакта первого электрода с поверхностью перегородки является верхний торец стержня электрода.
Уточнением частного случая, характеризующего форму выполнения первого электрода, является выполнение первого электрода чувствительного элемента из платины или из сплава, с содержанием платины не менее масс. 70%
Иным частным случаем реализации, предусмотрено выполнение второго электрода чувствительного элемента по форме цилиндрической поверхности.
Первым уточнением указанного частного случая является выполнение второго электрода чувствительного элемента из серебра.
Вторым уточнением указанного частного случая является выполнение второго электрода чувствительного элемента из сплава, с содержанием серебра не менее масс. 70%
Развитием указанных частных случаев, характеризующих форму и материал второго электрода чувствительного элемента, является выполнение второго электрода в форме цилиндра, в котором коаксиально его продольной оси выполнено отверстие для первого электрода.
Иным частным случаем реализации технического решения является использование в качестве материала для выполнения диэлектрической оболочки первого электрода чувствительного элемента диэлектрического материала, непроницаемого для вещества электролита.
Следующим частным случаем выполнения технического решения является такое взаимное расположение первого и второго электродов чувствительного элемента, что второй электрод удален от первого электрода на расстояние равное, по меньшей мере, толщине диэлектрической оболочки.
Применение камеры для размещения в ее внутреннем объеме элементов устройства позволяет исключить нежелательное взаимодействие компонентов электрохимической ячейки с окружающей средой. Камера служит, помимо прочего, емкостью для удержания электролита и предотвращения его испарения. Камера, в соответствии с частным случаем, может быть выполнена в виде корпуса из электрохимически инертного, по отношению к компонентам ячейки, материала, обладающего физическими свойствами, достаточными для сохранения конструкционной прочности чувствительного элемента в целом. Форма камеры для электрохимической ячейки должна иметь такой внутренний объем, который был бы достаточен для размещения в нем пары электродов и электролита в наполнителе, при этом, однако, камера не должна иметь объем много больший, чем совокупные измерения компонентов электрохимической ячейки. Также, в соответствии с иным частным случаем, камера может быть снабжена средствами фиксации перегородки. Для целей настоящего изобретения, камера снабжена отверстием, выполненным, предпочтительно в ее верхней части. По существу, то, каким образом будет выполнено отверстие, не оказывает влияния на решение технической проблемы. Главным образом, должно быть осуществлено сообщение внутреннего объема камеры с, в частности, воздушным трактом, через который проходит поток газа, содержащего компонент среды, содержание которого определяют посредством настоящего изобретения.
Перегородка, которой снабжена камера элемента, может быть установлена на одной или вместо одной из ее поверхностей. После установки, указанная перегородка должна, с одной стороны, непосредственно контактировать с исследуемой газовой средой, а с другой - с внутренним объемом камеры. В качестве перегородки может быть использовано тело относительно малой толщины, позволяющее проходить сквозь него компоненту газовой среды, содержание которого измеряют при помощи указанного устройства. Вместе с тем, перегородка должна обеспечивать герметичность внутреннего объема камеры по отношению к остальным компонентам среды, измерение содержания которых не является задачей настоящего технического решения. В одном из частных случаев выполнения, раскрыта конструкция устройства, в котором перегородка имеет форму мембраны. Применение мембранной конструкции позволяет использовать перегородку минимальной толщины, выполняющую свои функции, вместе с тем, позволяющую обеспечить минимальные временные значения для прохождения сквозь материал перегородки компонента газовой среды. Как следует из частного случая, предпочтительным материалом для мембраны или перегородки может быть фторопласт.
Применение вязкого и гигроскопичного электролита, снижает испарение вещества электролита, а наличие пористого материала поверх электрода позволяет удерживать электролит в области реакции, что в комбинации значительно повышает срок эксплуатации устройства и позволяет использовать его в любом положении в пространстве. В одном из частных случаев исполнения в качестве пористого материала применяют хлопчатобумажную нить. Высокая гигроскопичность материала обеспечивает полную пропитку электролитом.
В качестве электролита, как описано в частном случае, применяют раствор KCl с добавлением минимального количества KOH. Кроме того, в указанное вещество электролита, в соответствии с иным частным случаем выполнения, добавляют в качестве загустителя глицерин, применение которого, в совокупности с пропиткой электролитом пористого материала, позволяет достичь увеличения срока службы изделия, построенного на принципах, раскрытых в описании настоящего технического решения.
Компоненты, находящиеся во внутреннем объеме камеры, совместно с описанным выше электролитом в пористой матрице, образуют электрохимическую ячейку. Другими компонентами ячейки являются рабочий электрод и электрод сравнения, описанные в общем случае как первый и второй электроды, соответственно. Электроды, размещенные внутри камеры, взаимодействуют между собой через вещество электролита. При наличии в контролируемой газовой среде компонента газовой среды, содержание которого определяют, его молекулы достигают рабочего электрода, на поверхности которого происходит реакция восстановления, вследствие которой возникает ток через электрохимический элемент. Сила тока в цепи линейно зависит от содержания (парциального давления) определяемого компонента в контролируемой среде.
Рабочий электрод, заключенный в диэлектрическую оболочку, обладает чувствительностью по отношению к тому компоненту среды, содержание которого следует определить. Кроме того, рабочий электрод выступает в качестве катализатора для реакции восстановления, протекающей на его поверхности. Функционирующий рабочий электрод должен быть выполнен с возможностью соединения со средствами усиления сигнала с целью создания условия протекания реакции на поверхности электрода. Величина электродного потенциала задается в зависимости от определяемого компонента среды и материала рабочего электрода. В свою очередь, материал рабочего электрода подбирают также исходя из определяемого компонента. На первом электроде протекает процесс восстановления искомого компонента газовой среды до продукта реакции.
Вторым электродом, участвующим в электрохимическом процессе является электрод сравнения, функционирующий как неполяризующий электрод, сохраняющий неизменный потенциал (или претерпевающий незначительные изменения потенциала) при прохождении тока малой плотности через электрохимическую ячейку. Соответственно, величина площади поверхности указанного электрода значительно больше величины площади поверхности первого (рабочего) электрода. Таким образом, практически все приложенное внешнее напряжение затрачивается на изменение потенциала рабочего электрода.
Функциональная площадь поверхности электрода сравнения, по существу находится в следующей зависимости от площади поверхности рабочего электрода:
где - внутренняя площадь поверхности полого электрода сравнения (второго электрода), а - площадь поверхности рабочего электрода. Обоснование указанной зависимости вытекает из функциональных особенностей второго электрода: его потенциал не должен существенно меняться при прохождении через него тока малой плотности. В соответствии с частным случаем реализации, материалом для электрода сравнения выбрано серебро, покрытое малорастворимой солью серебра, преимущественно, хлоридом. Указанная конструкция и выбор материала позволяют создать электрод сравнения со стабильным электродным потенциалом, что необходимо для измерения изменения тока возникающего на рабочем электроде, и, конечном счете, для решения указанной технической проблемы. Кроме прочего, вместо чистого серебра, в качестве основного материала может быть применен сплав с содержанием серебра не менее 70% масс. Иным конструктивным решением в рамках общего случая настоящего изобретения является использование серебряного электрода сравнения в форме проволоки, навитой на диэлектрическую оболочку рабочего электрода внавал, причем величина площади поверхности такого электрода должна удовлетворять неравенству (1). На электрод такой конструкции может быть навит, в свою очередь, пористый материал, описанный выше.
Предпочтительным компонентом газовой среды, содержание которого измеряют с помощью указанного чувствительного элемента, является кислород. В случае с кислородом, материалы компонентов чувствительного элемента подбирают таким образом, чтобы выбранный материал позволял решать поставленную техническую проблему. Так, материал перегородки должен обеспечивать проникновение кислорода из анализируемой среды во внутреннее пространство камеры. Доступ кислорода обеспечивается путем диффузии молекул кислорода через материал перегородки. Материал рабочего электрода выбран таким образом, что на электроде обеспечивается протекание реакции восстановления для кислорода:
Описанная выше реакция происходит исключительно в зоне контакта электролита и первого электрода. Размещение первого электрода в диэлектрической оболочке осуществляют таким образом, что часть первого электрода, находящаяся ближе всего к плоскости перегородки, остается не покрытой слоем диэлектрического материала, что и обеспечивает контакт первого электрода с веществом электролитом. Электрод сравнения и вещество электролит чувствительного элемента могут иметь конструкцию и обладать свойствами, описанными в общем случае. Вместе с тем, устройство может быть модифицировано для определения таких газов как SO2, СО или иных кислородсодержащих. В частности, за счет применения селективной перегородки, чувствительной по отношению к указанным соединениям.
Коаксиальное расположение электродов, при котором второй электрод размещается снаружи первого, позволяет обеспечить равномерное распределение продуктов реакции на поверхности первого электрода в растворе электролита и дальнейшее взаимодействие с материалом электрода сравнения. Такое расположение конструктивных элементов также позволяет обеспечить стабильность параметров электрического тока, возникающего в электрохимической ячейке и, тем самым, повысить точность измерений.
Каждый электрод снабжен выходами для подключения, например, к устройству обработки сигнала для определения разности потенциалов и вычисления на ее основе некоторой искомой величины, как правило, парциального давления или концентрации определяемого компонента газовой среды, с учетом зависимости его парциального давления и концентрации от влажности и общего атмосферного давления.
Прилегание первого электрода к мембране позволяет сократить время отклика чувствительного элемента за счет сокращения диффузионного расстояния для молекул компонента газовой среды.
Платиновый рабочий электрод создает необходимые условия для реакции восстановления благодаря высоким каталитическим свойствам платины. Допускается применение в качестве материала для рабочего электрода сплава платины с массовой долей не менее 70%. Приведенная величина не оказывает значительного негативного влияния на электрохимические свойства материала рабочего электрода.
С целью сокращения геометрических размеров чувствительного элемента при сохранении зависимости площадей поверхностей электродов, указанной в формуле (1), электрод сравнения, в соответствии с одним из частных случаев выполнения, может иметь форму цилиндра, т.е. тела, имеющего боковую цилиндрическую поверхность и плоские параллельные торцевые поверхности с отверстиями для рабочего электрода в диэлектрической оболочке. Большая площадь внутренней поверхности позволяет, помимо прочего, улавливать значительное количество продуктов реакции, образованных на поверхности рабочего электрода при восстановлении на нем компонента газовой среды.
Стекло является материалом с выраженными диэлектрическими свойствами. Для целей настоящего изобретения, необходимо ограничить контакт электролита с поверхностью рабочего электрода, что и достигается применением диэлектрической оболочки. Площадь контакта поверхности первого электрода с электролитом, предпочтительно находится на кратчайшем расстоянии по отношению к плоскости перегородки, уменьшая, тем самым время отклика элемента за счет сокращения дистанции, преодолеваемой компонентом газовой среды, растворенным в ней.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими материалами:
Фиг. 1 - радиальный разрез чувствительного элемента, вариант выполнения 1
Фиг. 2 - торцевое сечение чувствительного элемента иной конструкции
Фиг. 3 - радиальный разрез чувствительного элемента А-А;
Фиг. 4 - радиальный разрез чувствительного элемента, вариант выполнения 2
Расшифровка компонентов, обозначенных цифрами на фигурах:
1. корпус чувствительного элемента;
2. перегородка, проницаемая для измеряемого компонента газовой среды;
3. пористый наполнитель с веществом электролита;
4. электрод сравнения;
5. рабочий электрод;
6. диэлектрическая оболочка рабочего электрода;
7. выход рабочего электрода;
8. выход электрода сравнения.
В основе предлагаемого чувствительного элемента лежит принцип работы электрода Кларка, раскрытый в патенте US 2,913,386. Техническое решение содержит диэлектрический цилиндрический корпус 1, снабженный мембраной 2, установленной на его верхней грани и снабженной средствами фиксации (не показаны). Во внутреннем пространстве корпуса размещена электрохимическая ячейка, состоящая из платинового рабочего электрода 5 в форме стержня, запаянного в стеклянную трубку 6 так, что верхняя торцевая поверхность электрода конформна к торцевой поверхности стеклянной трубки. Коаксиально рабочему электроду размещен электрод сравнения 4, выполненный в форме цилиндра с отверстиями в верхней и нижней гранях для рабочего электрода. Электрод сравнения выполнен из сплава с содержанием серебра 70% масс, и покрыт слоем хлорида алюминия. Пара электродов помещена в наполнитель из распушенной хлопчатобумажной нити 3, пропитанной веществом электролита. В качестве электролита использован насыщенный раствор KCl, с добавлением загустителя на основе глицерина. Рабочий электрод и электрод сравнения выполнены с возможностью подключения к усилителю сигнала и источнику напряжения, соответственно, посредством выходов 7 и 8.
Иной вариант выполнения чувствительного элемента в соответствии с настоящим техническим решением (Фиг. 2, 3) характеризуется выполнением корпуса 1 устройства уплощенной цилиндрической формы, эластичной мембраной 2, размещенной на верхней грани корпуса 1, которая чувствительна по отношению к кислороду. Рабочий электрод 5, выполненный из сплава с содержанием платины не 70% масс, размещен внутри корпуса 1 устройства на его осевой линии, коаксиальной рабочему электроду размещен электрод сравнения 4 тороидальной формы, выполненный из серебра и покрытый слоем AlCl. Указанные электроды отгорожены друг от друга слоем диэлектрического материала 6, выполненного из полимерного материала. Внутренний объем корпуса 1 заполнен электролитом, находящимся в пористом наполнителе 3. Рабочий и сравнительный электрод снабжены выходами, по аналогии с первым примером выполнения.
Кроме того, возможно выполнение устройства с размещением пористого наполнителя с электролитом, расположенного следующим образом (Фиг. 4): на внешнюю поверхность электрода сравнения 4, выполненного в форме металлической проволоки, в качестве пористого наполнителя 3 навита хлопчатобумажная нить, пропитанная раствором электролита. Вместе с тем, электролит, вследствие нахождения в жидком агрегатном состоянии, частично заполняет собой внутреннее пространство корпуса, что приводит к появлению тонкого слоя электролита между верхней торцевой поверхностью рабочего электрода и внутренней поверхностью селективной перегородки.
Приведенные на эскизах реализации устройства не являются исчерпывающими, но отражают предпочтительные варианты исполнения. В динамике, устройство работает следующим образом.
Молекулы растворенного кислорода в измеряемой газовой среде поступающей из, например, при осуществлении дыхательного цикла пациентом по воздушным каналам, в результате процесса диффузии через слой материала перегородки (в настоящих примерах - фторопластовой мембраны) восстанавливаются на поверхности рабочего электрода до молекул воды. Протекание химической реакции обеспечивается двумя основными факторами: материалом рабочего электрода, в случае настоящего примера реализации изобретения - платиной, и напряжением поляризации, приложенным к рабочему электроду, позволяющего создать стабильный электродный потенциал в районе 0,7-0,85 В. В результате реакции на поверхности электрода, высвободившиеся в ее процессе свободные электроны поступают в рабочий электрод, вызывая изменение его потенциала. Указанный процесс приводит к возникновению тока в цепи, включающей рабочий электрод, электрод сравнения и электролит, содержащийся в пористой матрице. Значение тока, возникающего в цепи, пропорционально концентрации искомого компонента газовой среды.
Заявляемый чувствительный элемент может быть изготовлен в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.
Claims (21)
1. Чувствительный элемент для измерения концентрации компонента газовой среды содержит камеру, снабженную проницаемой для определяемого компонента газовой среды перегородкой, внутрь которой помещен пористый носитель, пропитанный электролитом, и пара электродов, выполненных с возможностью электрического взаимодействия через электролит, при этом первый электрод, по существу, заключен в диэлектрическую оболочку, выполнен с возможностью поддержания определенного электродного потенциала и расположен внутри пустотелого второго электрода, выполненного с возможностью подключения к источнику напряжения поляризации.
2. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что определяемым компонентом газовой среды является кислород.
3. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй электроды расположены коаксиально.
4. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 2, отличающийся тем, что перегородка, проницаемая для кислорода, выполнена в виде мембраны.
5. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что камера снабжена средствами фиксации мембраны по периметру.
6. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что мембрана выполнена из полимерного материала.
7. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 6, отличающийся тем, что мембрана выполнена из фторсодержащего полимера.
8. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что электроды снабжены выходами.
9. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 8, отличающийся тем, что выходы электродов выполнены с возможностью электрического соединения с внешними устройствами.
10. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 9, отличающийся тем, что выходы электродов соединены с модулем обработки сигнала.
11. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 4, отличающийся тем, что первый электрод прилегает к мембране через слой электролита.
12. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 11, отличающийся тем, что толщина слоя электролита составляет менее 0,5 мм.
13. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что электрод выполнен в форме стержня.
14. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 13, отличающийся тем, что первый электрод выполнен из платины.
15. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 13, отличающийся тем, что первый электрод выполнен из сплава, с содержанием платины не менее 70 мас.%.
16. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что второй электрод имеет форму цилиндрической поверхности.
17. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 16, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из серебра.
18. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 16, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из сплава, с содержанием серебра не менее 70 мас.%.
19. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по пп. 16, 17, 18, отличающийся тем, что второй электрод имеет форму цилиндра, в котором коаксиально его продольной оси выполнено отверстие для первого электрода.
20. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая оболочка выполнена из диэлектрического материала, непроницаемого для электролита.
21. Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды по п. 1, отличающийся тем, что второй электрод удален от первого электрода на расстояние, равное, по меньшей мере, толщине диэлектрической оболочки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017137343A RU2665792C1 (ru) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017137343A RU2665792C1 (ru) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2665792C1 true RU2665792C1 (ru) | 2018-09-04 |
Family
ID=63459892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017137343A RU2665792C1 (ru) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2665792C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2913386A (en) * | 1956-03-21 | 1959-11-17 | Jr Leland C Clark | Electrochemical device for chemical analysis |
WO1982000161A1 (en) * | 1980-07-02 | 1982-01-21 | Inc Comsip | Electrochemical gas sensor,electrodes therefor and methods of making said sensor and electrodes |
US4772375A (en) * | 1986-09-25 | 1988-09-20 | James R. Dartez | Antifouling electrochemical gas sensor |
WO1993001490A1 (en) * | 1989-04-24 | 1993-01-21 | Milstein Joseph B | High speed oxygen sensor |
RU63534U1 (ru) * | 2006-12-25 | 2007-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "АНГАРСКОЕ-ОКБА" | Устройство для измерения концентрации кислорода |
RU2339028C1 (ru) * | 2007-04-12 | 2008-11-20 | Закрытое акционерное общество "ЭКОН" | Чувствительный элемент газоанализатора кислорода и способ его изготовления |
RU2614348C1 (ru) * | 2015-11-10 | 2017-03-24 | Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Нэмп" | Полярографический датчик кислорода |
-
2017
- 2017-10-24 RU RU2017137343A patent/RU2665792C1/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2913386A (en) * | 1956-03-21 | 1959-11-17 | Jr Leland C Clark | Electrochemical device for chemical analysis |
WO1982000161A1 (en) * | 1980-07-02 | 1982-01-21 | Inc Comsip | Electrochemical gas sensor,electrodes therefor and methods of making said sensor and electrodes |
US4772375A (en) * | 1986-09-25 | 1988-09-20 | James R. Dartez | Antifouling electrochemical gas sensor |
WO1993001490A1 (en) * | 1989-04-24 | 1993-01-21 | Milstein Joseph B | High speed oxygen sensor |
RU63534U1 (ru) * | 2006-12-25 | 2007-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "АНГАРСКОЕ-ОКБА" | Устройство для измерения концентрации кислорода |
RU2339028C1 (ru) * | 2007-04-12 | 2008-11-20 | Закрытое акционерное общество "ЭКОН" | Чувствительный элемент газоанализатора кислорода и способ его изготовления |
RU2614348C1 (ru) * | 2015-11-10 | 2017-03-24 | Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Нэмп" | Полярографический датчик кислорода |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0064337B1 (en) | Carbon dioxide measurement | |
CN105823814B (zh) | 电位传感器 | |
KR20000061275A (ko) | 자기 진단기능을 갖는 소형 고체상 기준전극 | |
US9964511B2 (en) | Electrochemical gas sensor | |
US20110290672A1 (en) | Electrochemical gas sensor | |
JP5832453B2 (ja) | 液体クロマトグラフィーシステム用の電気化学的検出セル | |
US11397161B2 (en) | Calibration electrode | |
KR101488438B1 (ko) | 전기화학식 가스 센서 | |
US3859191A (en) | Hydrogen cyanide sensing cell | |
RU2665792C1 (ru) | Чувствительный элемент для определения концентрации компонента газовой среды | |
JP4205725B2 (ja) | ガスセンサ | |
RU180403U1 (ru) | Датчик определения концентрации кислорода в газовой смеси | |
US3830709A (en) | Method and cell for sensing nitrogen oxides | |
Midgley | Investigations into the use of gas-sensing membrane electrodes for the determination of carbon dioxide in power station waters | |
US4981567A (en) | Lithium-salt reference half-cell for potentiometric determinations | |
EP3341722A1 (en) | Electrochemical sensor | |
JP2001289816A (ja) | 定電位電解式ガスセンサ | |
JP2003075394A (ja) | 酸化性気体の検出器 | |
US9863908B2 (en) | Low drift ion selective electrode sensors | |
JP2014115124A (ja) | 比較電極 | |
Nei | Some milestones in the 50-year history of electrochemical oxygen sensor development | |
JP3962583B2 (ja) | 電気化学式ガスセンサ | |
US20220196622A1 (en) | Electrochemical gas sensor | |
US10352896B2 (en) | Coulometric titration cell | |
Ali et al. | A novel coated wire electrode and coated graphite electrode for potentiometric determination of amitriptyline hydrochloride in its pharmaceutical preparations, urine and blood plasma |