專利名稱：酸性電解質(zhì)原電池式溶解氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種應(yīng)用電化學(xué)方法研究分析液體中溶解氧的溶解氧傳感器、特別涉及一種酸性膠體電解質(zhì)原電池式、不受二氧化碳干擾、同時可以測量水溫的溶解氧傳感器。
現(xiàn)有的原電池式溶解氧傳感器是以貴金屬金、銀或鉑等為陰極，以金屬鉛、鎘等為陽極，以透氣膜將腔體與環(huán)境液體隔開，在腔體內(nèi)充以氫氧化鉀、氫氧化鈉或碳酸鉀(鈉)等堿性水溶液作為電解質(zhì)使陰極和陽極連通構(gòu)成原電池。例如美國專利4207161、德國專利2945777就是采用堿性電解質(zhì)。環(huán)境中的氧通過透氣膜到達陰極表面，在此處放電產(chǎn)生電流，其大小與氧濃度成正比。透氣膜的作用是讓氣體通過而不讓液體通過。除氧外，其他氣體也可以通過透氣膜。當(dāng)環(huán)境中存在二氧化碳?xì)怏w時，它通過透氣膜進入腔體與堿性電解質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，并與來自陽極溶解產(chǎn)生的鉛離子反應(yīng)生成堿式碳酸鉛沉淀。這樣，既消耗了電解質(zhì)，又導(dǎo)致陰極周圍及表面沉淀的沉積。沉淀在陰極表面的沉積，覆蓋陰極的活性表面，從而降低傳感器的靈敏度。沉淀在陰極周圍的沉積，阻礙陰極表面與電解質(zhì)主體之間的物質(zhì)交換，增大殘余電流、加長響應(yīng)時間。二氧化碳的干擾還使堿性原電池式傳感器的技術(shù)性能如穩(wěn)定性、重復(fù)性、壽命等逐漸變壞?？諝庵械难鹾繛?0.9％，二氧化碳含量為0.028％，氧約為二氧化碳的750倍。但在水中，在101.3kPa和20℃時，氧的飽和溶解度為9.1mg/L，而二氧化碳的濃度約為7.9mg/L，氧是二氧化碳的1.2倍。因此，二氧化碳對溶解氧傳感器的干擾，在水中更為嚴(yán)重。透氣膜可透過氣體，因而水蒸氣亦可透過。在長期使用過程中，腔體內(nèi)的電解質(zhì)水溶液會通過透氣膜逐漸向外蒸發(fā)形成氣泡，在腔體內(nèi)游動，撞擊陰極和陽極，造成傳感器信號的不穩(wěn)定。透氣膜的厚度，一般在10～50微米，在使用過程中，由于測量環(huán)境中溫度和壓力的變化、測量水體中污染物的作用以及電解質(zhì)本身重量的作用，透氣膜會發(fā)生變形，與陰極表面的貼合不緊密，從而增大透氣膜與陰極表面的距離，降低靈敏度，加長響應(yīng)時間，且使傳感器的信號不穩(wěn)定。
本實用新型的目的是要提供一種改進的溶解氧傳感器，它不受二氧化碳干擾、性能穩(wěn)定、并可同時測量水溫。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的溶解氧傳感器以銀作陰極、鉛作陽極、聚全氟乙丙烯(F46)作透氣膜，腔體內(nèi)充以酸性膠體電解質(zhì)，透氣膜以絲網(wǎng)加固，從陰極和陽極輸出的電流經(jīng)熱敏電阻進行溫度補償后輸往外電路，以半導(dǎo)體溫度傳感器作測溫元件，熱敏電阻和溫度傳感器均埋于導(dǎo)熱膠中，導(dǎo)熱膠與金屬導(dǎo)熱環(huán)接觸，金屬導(dǎo)熱環(huán)的外壁與測量環(huán)境接觸。在酸性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)如下；陰極陽極電池總反應(yīng)傳感器的輸出電流i=nFADl·C]]>式中n為反應(yīng)電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，A為陰極表面積，D為氧的擴散系數(shù)，l為從透氣膜外表面至陰極表面的距離，C為氧濃度。當(dāng)電池結(jié)構(gòu)確定后，上式可簡化為l＝KC即電流與氧濃度成正比。在酸性電解質(zhì)中，氫在鉑和金電極上的過電勢低，而銀的過電勢較高，用銀優(yōu)于用鉑和金，避免由于氫放出而干擾氧測量。電解質(zhì)用的酸，須與陰極銀不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，又須與陽極鉛溶解生成的離子能生成可溶性鹽類，適合于這一要求的酸有醋酸、檸檬酸、高氯酸、氫氟酸等。為了制成膠體，可用無機膠體如硅膠，亦可用有機膠體如淀粉、烷基纖維素、瓊脂、聚乙烯醇等。為了加固透氣膜，可在其外側(cè)加一層絲網(wǎng)，絲網(wǎng)的材料和網(wǎng)目應(yīng)不影響溶氧傳感器的靈敏度和響應(yīng)性能，如尼龍網(wǎng)、聚乙烯網(wǎng)、聚丙烯網(wǎng)、金屬網(wǎng)等，網(wǎng)目為50～200。
本傳感器與現(xiàn)有堿性電解質(zhì)原電池式溶解氧傳感器相比，具有以下特點①不受二氧化碳干擾。由于采用酸性電解質(zhì)，阻止二氧化碳溶解，避免生成堿式碳酸鉛沉淀，保持陰極和陽極表面清潔。②腔體內(nèi)不形成氣泡。由于采用膠體電解質(zhì)，避免電解質(zhì)溶液由于蒸發(fā)而形成氣泡，腔體內(nèi)無氣泡游動。③透氣膜與陰極表面貼合緊密。由于透氣膜被絲網(wǎng)加固，強度增加，不易變形。由于上述特點，改善了傳感器性能，延長了使用壽命，從而派生出適合于高二氧化碳環(huán)境測氧和適合于便攜式儀器的應(yīng)用特點。這樣制作的傳感器置于濃度大于90％的二氧化碳?xì)夥罩?，?jīng)1000小時試驗，在空氣中的輸出電流無衰減，而相同結(jié)構(gòu)的堿性電解質(zhì)傳感器，在相同條件下，經(jīng)100小時試驗，在空氣中即已衰減30％。進行溶解氧測定時，溶解氧的線性范圍為0～25mg/L，溫度為0～40℃，溶解氧90％的響應(yīng)時間小于20秒，在水中經(jīng)720小時連續(xù)試驗，溶解氧穩(wěn)定性偏差小于±1.5％，測溫誤差小于±0.5℃。本傳感器在空氣中經(jīng)12個月長期觀察，電流衰減為11％，其他性能如響應(yīng)時間、殘余電流、重復(fù)性等均無顯著變化。本傳感器除適用于測定溶解氧外，也適用于氣體中的氧測定。
以下結(jié)合附圖
對本實用新型作進一步描述。
附圖是本實用新型的縱向剖面圖，其中熱敏電阻和溫度傳感器為示意圖。
參照附圖，前蓋(1)、腔體(5)和后蓋(17)均為工程塑料ABS注塑而成，金屬導(dǎo)熱環(huán)(10)為不銹鋼車制而成。各件之間均以螺紋連接。墊片(2)為聚四氟乙烯片，中心有孔。絲網(wǎng)(3)為尼龍絲網(wǎng)。透氣膜(4)為聚全氟乙丙烯(F46)薄膜。墊片(2)、絲網(wǎng)(3)和透氣膜(4)按順序以雙面膠紙粘貼在一起，利用前蓋(1)旋擰的壓力壓在腔體(5)的頂端，保證腔體的密封。銀陰極(7)為園柱形，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在中心園筒(19)中。鉛陽極(8)為鉛片。用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在腔體(5)底端的內(nèi)側(cè)。腔體(5)內(nèi)充入酸性膠體電解質(zhì)(6)。在陽極引線(9)和陰極引線(14)之間并聯(lián)熱敏電阻(12)，用來進行傳感器的溫度補償，用負(fù)阻型熱敏電阻，阻值大小取決于所需傳感器電壓的大小。測溫元件(13)是用來測量水溫的，用半導(dǎo)體溫度傳感器。熱敏電阻(12)和測溫元件(13)均埋于導(dǎo)熱膠(11)中，它與金屬導(dǎo)熱環(huán)(10)接觸。在測量時，金屬導(dǎo)熱環(huán)(10)浸沒于測量液體中。陽極引線(9)、陰極引線(14)和測溫元件引線(15、16)從后蓋(17)之引線孔(18)中引出，連接到溶解氧測定儀上。
作為一件實例，銀陰極(7)的直徑為1.5毫米，透氣膜(4)的厚度為20微米，絲網(wǎng)(3)為100網(wǎng)目，熱敏電阻(12)為15千歐，酸性膠體電解質(zhì)(6)為5N醋酸中加入10％的羧甲基纖維素鈉。在大氣中，傳感器的輸出約為25毫伏。
權(quán)利要求1.一個由前蓋(1)、腔體(5)、金屬導(dǎo)熱環(huán)(10)、后蓋(17)、銀陰極(7)、鉛陽極(8)、透氣膜(4)組成的溶解氧傳感器，其特征是腔體(5)內(nèi)充入酸性膠體電解質(zhì)(6)、透氣膜(4)以絲網(wǎng)(3)加固、熱敏電阻(12)和測溫元件(13)埋入導(dǎo)熱膠(11)中。
2.按權(quán)利要求1規(guī)定的溶解氧傳感器，其特征是酸性膠體電解質(zhì)(6)之酸為醋酸、檸檬酸、高氯酸、氫氟酸，膠體為硅膠、淀粉、烷基纖維素、瓊脂、聚乙烯醇。
3.按權(quán)利要求1規(guī)定的溶解氧傳感器，其特征是用以加固透氣膜(4)的絲網(wǎng)為尼龍網(wǎng)、聚乙烯網(wǎng)、聚丙烯網(wǎng)、金屬網(wǎng)，網(wǎng)目為50～200。
專利摘要本實用新型提供了一種應(yīng)用電化學(xué)方法研究分析液體中溶解氧的溶解氧傳感器，適合于測定溶解氧和水溫。它是一種酸性膠體電解質(zhì)原電池，陰極為銀，陽極為鉛，聚全氟乙丙烯透氣膜以絲網(wǎng)加固，測溫元件和用于傳感器溫度補償?shù)臒崦綦娮杈裼趯?dǎo)熱膠中。該傳感器不受二氧化碳?xì)怏w的干擾，性能穩(wěn)定，特別適合于高二氧化碳液體中測氧和便攜式儀器應(yīng)用，也適合于氣體中的氧測定。
文檔編號G01N27/403GK2241341SQ95223420
公開日1996年11月27日 申請日期1995年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月11日
發(fā)明者黃崇藝 申請人:黃崇藝