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

нос кислородд через слои электролит и гдзопроцицдемую мембрану цод действием ультразвука, для чего нд электролит, мембрану и исследуемую жидкость со стороны катода воздейст - вуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 200-40000 кГц при-гинтенсивности 0,1-0,6 Вт смДля 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 5- 1 О 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 засчет роста погрешности измерения.Учитывая, что скорость звука в электролите и наиболее типичных препаратах (водных растворах, эмульсиях и суспензиях) составляет примерно 1500 м с , толщина мембраны - от 2 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. максимальнаячастота колебаний не доЛжна превышать 4-5 МГц. Скорость диффузии нд частотах ниже 150 -200 кГц при малых интенсивностях заметно снижается, эти частоты можно считать нижним пределомчастотного дидидзона,При исследовании влияния интенсивности ультразвуковых колебаний наскорость диффузии кислорода через полупроницаемую мембрану установлено,что при интецсц ности ниже 0,05 О, 07 Вт см заметного сокращениявремени отклик це наблюдается. омере унеличеция интенсивности отО, 1 Втсм ц выше время отклицдуменьшается. Нпример, при интенсивности 0,25 Вт см оцо в 3-5 рдз5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 меньше, чем в случае, когд ультрдзвуковые колебания выключены. 1 льнейшее возрастание интенсивности хотя и способствует еще большему сокращению отклика, однако приводит к нов вышению температуры электролита и препардта 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 постлвленной цели необходимо примеце - ние ультразвука с интенсивностью в зоне катода от 0,1 до 0,6 ВтсмНа фиг. изображена конструкция кислородного датчика; на фиг.2 электрическая схема предлагаемого устройства.Кислородный датчик (фиг.1) состоит из основания 1, выполненного из диэлектрика, в котором на резиновой прокладке 2 установлена электродная подложка 3, выполненная из почяризованного по толщине пьезоэлектрического материала, например пьезоэлектрической керамики или Х-среза моно- кристалла кварца. Одно из возможных направлений поляризации показано стрелками. На 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 полуцроницаемую мембрану 8 накидной гайкой 9 прижата кювета 10 с пробкой 11 заполненная исследуемум препаратом15181 2, 1 г 1 с якх к с 1,си оости для ркуяци термч татирующейжико т.В устройстве электродная попложкаиспользуется в качестве изоляторадля размещения измерительных электродов и одновременно является двухсекционным пьезоэлементом.При измерении концентрации кислородз в препарате анод 5 (фиг.2) черезизмеритель 3 тока соединен с положительным, а катод 4 - с отрицательнымвыводами источника 4 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 конденсаторы16 и 17 присоединен к аноду и катоду.Второй дополнительный электрод 7 подключен к цепи обратной связи генератора.Во время работы устройства поэлектроду между анодом 5 и катодом 4протекает постоянный электрическийток, пропорциональный количеству кислорода, поступающего из препарата через отверстие в дне кювет1 О и полупроницаемую мембрану 8 к катоду.Поступающее количество кислорода пропорционально его концентрации в препарате. Величина протекающего токаможет быть измерена электронным измерителем тока с подключенным к немусамопишущим регистратором.Генератор переменного тока создает электрическое поле в пьезоэлектрическом материале электродной подложки 3, в результате чего благодаряобратному пьезоэффекту в ней возникают механические колебания. При совпадении частоты генератора с собственной частотой механических колебанийэлектродной подложки наступает резонанс, приводящий к значительному увеличению амплитуды механических колебаний. Электрическое напряжение, возникающее на электроде 7 вследствиедеформации пьезоэлектрика (прямойпьезоэффект), поступает в цепь обратной связи электронного генератора.Это позволяет поддерживать резонансную частоту выходного сигнала генератора и заданную амплитуду колебаний электродной подложки,Разделительные конденсаторы 16 и17 исключают шунтирование измеритель 15 ным электродом.Равенство отношений емкостей обеспечивает отсутствие разности потен циалов переменной составляющей междуизмерительными электродами вследствие равных падений напряжения на участках пьезоматериала между каждым изизмерительных электродов 4 и 5 и до полнительным электродом 6, подключенным к выходу генератора 15. Рекомендуемая величина отношений емкостейпри незначительном падении напряжения на разделительных конденсаторахне приводит к заметному возрастаниюпостоянной времени измерительяьй цепи,Под воздействием ультразвуковыхколебаний повышается скорость проникновения кислорода через полупроницаемую мембрану, что приводит к сокращению времени отклика и позволяетв 3-5 раз сократить время измерения40 формула из обре тения 1. Способ измерения концентрациикислорода в жидких средах путем восстановления кислорода на катоде под 45 воздействием электрического потенциа"ла и измерения электрического тока,протекающего через электролит, отделяемый от исследуемой жидкости полупроницаемой мембраной, по величине 50 которого судят о концентрации кислорода, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью ускорения процесса измерения за счет сокращения времениотклика, на электролит, мембрану иисследуемую жидкость со стороны катода воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазона частот 2004000 кГц при интенсивности 0,106 Втсм 770 6ной Испи. Их рекомендуемая в ичинаможет быть определен из в,ржс ния:Срк Срд10,5С. С,где С, Сд - емкости разделительныхконденсаторов, присоединенных к катоду ианоду, соответственно;10 С, - емкость между катодоми дополнительнымэлектродом, расположенным напротив като -да,С - емкость между анодоми этим же дополнительПодписноео изобретениям и открытиям35, Раушская наб., д. 4/5 и ГКНТ ССС дательский комбинат 11 атент, г. Ужгород, ул. Гагарина" 1)(1 тн) Я 1 мРн 11 кн1.И );)111 и к 1.эо р 11 1 жокнх с рс,1 хсое 1;1 е и)чнив о.т)я ни))зле кт 1)ис к) го тока1 м)1)итеп 1 ток 1 и п)1 тчиксодерж)иИЙ ос)ованиеэлектродную подложку с размещ инымина одной и ее ПОВерхностей и по)клю ченными к источнику и измерителю то -ка двумя измерительными электродами, между которыми помещен слой электролита, кювету дпя исследуемой жидкости и полупроницаемую мембрану, раэ - меценну) между исследуемой жидкостью Зака 01)02/51 Тираж 789811 ВП 1 И 1 )сударственного комитета113035 МоскваН 11 Щ Е Е . Я ТМ ТО С ПЕ 1) ) к)а 1 ния врем.ни )тк)нк 1.).Яектродная н)дложка усти( плена с воэ - 5м)жн)спю свободных колебаний и Выэлектрческого материала, а на свободной от измерительных электродовповерхности электродной площадки напротив катода расположен по крайнеймере один дополнительный электродлпя передачи ультраэвуконого ноэбуж