ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КИСЛОРОДА
POLAROGRAPHIC OXYGEN SENSOR

Изобретение относится к области измерения значений гидрохимикофизических параметров водной среды и может быть использовано отдельно или в составе многоканального преобразователя гидрохимикофизических параметров водной среды, для измерения содержания растворенного кислорода в водной среде, в частности пресной и морской воды при проведении экологических исследований.
Известен электрохимический датчик растворенного кислорода, содержащий корпус, камеру для электролита, в которой размещены анод и катод, и две контактирующие газопроницаемые мембраны, одна из которых контактирует также с катодом и выполнена из полимерного материала, например фторопласта, а другая - с контролируемой средой, выполнена из резиноподобного материала, например силикона. Наличие в датчике-прототипе дополнительной мембраны позволяет обеспечить постоянное прижатие внутренней полимерной мембраны к рабочей поверхности катода, увеличивая стабильность его показаний, уменьшает чувствительность полимерной мембраны к флуктуациям потока контролируемой среды, снижая воздействие механической вибрации мембраны на нестабильность тока датчика.
К недостаткам известного датчика следует отнести высокие значения постоянной времени датчика, обусловленные свойствами используемых мембран. Необходимо учитывать, что применение фторопластовой пленки, очень малой толщины, снижает значения постоянной времени, но при сборке датчика пленка может необратимо деформироваться и разрушаться ввиду свойств материала.
Резиноподобная мембрана, несмотря на то, что имеет газопроницаемость выше полимерной, все же представляет собой дополнительное препятствие прохождению молекул растворенного кислорода, обуславливающее увеличение постоянной времени. Кроме того, для обеспечения стойкости к механической вибрации необходимо использовать силиконовую мембрану достаточно большой толщины ввиду ее низких прочностных свойств, что приводит к существенному увеличению постоянной времени.
Техническим результатом изобретения является снижение постоянной времени при обеспечении необходимого ресурса работы датчика.
Заявленный технический результат достигается тем, что в полярографическом датчике кислорода, содержащем наполненный электролитом корпус с отверстием в верхней части, мембрану, выполненную по меньшей мере из двух слоев газопроницаемого материала, герметично закрывающую указанное отверстие, два электрода - катод, прилегающий к мембране, и анод, размещенные в объеме электролита, в соответствии с изобретением нижний опорный слой мембраны выполнен из материала, обеспечивающего возможность беспрепятственного прохождения молекул растворенного в воде кислорода к катоду с прочностными характеристиками, обеспечивающими возможность сопротивления разрыву при динамических и статических нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации, а верхний селективный слой выполнен в виде нанесенного на опорный слой полимерного покрытия.
Преимущественно полимерное покрытие может быть выполнено из полипараксилилена.
Техническое решение поясняется приведенной на чертеже схемой, являющейся частным примером реализации изобретения, не охватывающим и тем более не ограничивающим весь объем притязаний данного технического решения.
На схеме датчика обозначено:
1 - корпус;
2 - электролит;
3 - катод;
4 - анод;
5 - изолирующий элемент;
6 - опорный слой комбинированной мембраны;
7 - селективный слой комбинированной мембраны.
Полярографический датчик кислорода содержит корпус 1 с отверстием в верхней торцевой части, выполненный, например, из оргстекла, заполненный электролитом 2. Внутри корпуса 1 в электролите 2 установлены катод 3, выполненный, например, из платиновой проволоки, и анод 4, в качестве которого может быть использована серебряная проволока, покрытая хлористым серебром. Катод 3 отделяется от анода 4 за счет его размещения внутри изолирующего элемента 5, выполненного, например, из диэлектрического стержня, например, из оргстекла. При этом торцевая поверхность катода 3 конформна к выполненной округлой торцевой поверхности изолирующего элемента 5, что обеспечивает плотное прилегание опорного слоя комбинированной мембраны к катоду 3. На боковой поверхности изолирующего элемента 5 устанавливается анод 4.
Отверстие в корпусе 1 закрыто газопроницаемой комбинированной мембраной, отделяющей электрохимическую систему от исследуемой среды и предохраняющей электроды от загрязнения, состоящей из опорного слоя 6, прилегающего к катоду 3, и селективного слоя 7, контактирующего с водной средой.
Опорный слой 6 выполнен из материала с прочностными характеристиками, обеспечивающими возможность сопротивления разрыву при динамических и статических нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации, и с выполненными в нем микропорами, обеспечивающими беспрепятственный доступ молекул растворенного кислорода, диффундировавших через селективный слой 7, к катоду 3, что исключает влияние опорного слоя 6 на значение постоянной времени датчика. В качестве опорного слоя могут быть использованы, например, поликарбонатные трековые мембраны.
Селективный слой 7, обеспечивающий прохождение сквозь него только молекул растворенного в среде кислорода, выполнен в виде нанесенного на опорный слой 6 полимерного покрытия. Предпочтительным является выполнение селективного слоя 7 вакуумным осаждением полипараксилиленов, так как при этом может быть достигнута наименьшая толщина покрытия в силу развитости технологии его вакуумного осаждения, но селективный слой 7 также может быть выполнен, например, путем суспензионного или лакового нанесения фторопластов или электростатического осаждения полиамидов.
Толщина селективного слоя 7 в зависимости от поставленных задач, назначения датчика и требуемого быстродействия может иметь значения от долей микрон до единиц и десятков микрон.
Датчик работает следующим образом.
На поверхности катода 3 под воздействием приложенного к нему напряжения 0,75 В обеспечивается подсоединением к датчику измерительного блока (не показан), каждая молекула растворенного во внешней среде кислорода, диффундирующая последовательно сквозь селективный слой 7 и опорный слой 6 комбинированной мембраны, восстанавливается до молекулы воды, отдавая высвободившиеся в ходе восстановления свободные электроны в катод 3. Образующийся избыток электронов в катоде 3 приводит к возникновению тока в цепи катод 3 - электролит 2 - анод 4, замыкающейся на измерительный блок. Значение тока в указанной цепи пропорционально содержанию растворенного во внешней среде кислорода.
Скорость диффузии молекулы растворенного кислорода из внешней среды к катоду 3 определяет время отклика датчика на изменяющееся содержание растворенного в среде кислорода, а следовательно, постоянную времени датчика. При этом чем больше скорость диффузии, тем меньшее время затрачивается на прохождение молекул растворенного кислорода и тем меньше постоянная времени датчика. Учитывая особенности конструктивного построения полярографических датчиков растворенного кислорода, основной вклад в значение времени отклика составляет время прохождения молекулами растворенного кислорода полимерной селективной мембраны. Указанное время пропорционально толщине мембраны, а в случае заявляемого технического решения, с использованием комбинированной мембраны с опорным слоем 6, обеспечивающим беспрепятственное прохождение молекул растворенного кислорода к катоду, - толщине селективного слоя, например покрытия из полипараксилилена, которая, благодаря технологии вакуумного осаждения, может составлять доли микрона, что много меньше минимально возможной толщины фторопластовой пленки (от 5 мкм).
Таким образом, использование комбинированной мембраны с указанными свойствами обеспечивает достижение технического результата - уменьшение постоянной времени датчика при обеспечении необходимого ресурса работы датчика.
Заявляемый полярографический датчик кислорода может быть изготовлен в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.