(19) PL (11) 170B41 (13) B1 (12) OPIS PATENTOWY PL B1 G01N 27/30 G01N 27/404. (54) Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 170B41 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia (51) IntCl6 G01N 27/30 G01N 27/404 (54) Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/94 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Łódzka, Łódź, PL (72) Twórca wynalazku: Henryk Sugier, Łódź, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/97 (74) Pełnomocnik: Bałczewski Zbigniew W., Politechnika Łódzka PL B1 Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach 1 gazach, wyposażony w usytuowaną pionowo, walcową obudowę (57) z wydrążoną wewnątrz, wzdluż jej osi, komorą na elektrolit wewnętrzny, zamkniętą od góry nasadką, zaś od dołu połączoną z dolną podstawą obudowy, na którą jest nałożony krążek hydrofobowej membrany o krawędziach dociśniętych uszczelką do ścianki zewnętrznej obudowy, zawierający anodę w kształcie spirali umieszczoną wewnątrz komory z elektrolitem wewnętrznym i zamocowaną górnym końcem w nasadce zamykającej od góry komorę oraz srebrową katodę w kształcie spirali, zaopatrzone w przewody elektryczne do połączenia z miernikiem, wyposażony także w term istor połączony równolegle z elektrodami, znam ienny tym, że jego srebrową katodę (3), umieszczoną na zewnątrz komory (7) na elektrolit wewnętrzny, stanowi zwinięty w spiralę pasek srebra, w którym odległość między zwojami wynosi około 1 mm, przymocowany do dolnej podstawy obudowy (6), wokół wylotu osiowego kanału wykonanego w dolnej części obudowy (6), łączącego tę podstawę z komorą (7) na elektrolit wewnętrzny, a anodę (8), umieszczoną wewnątrz komory (7) na elektrolit wewnętrzny, stanowi zwinięty spiralnie arkusz blachy, korzystnie cynkowej, o grubości korzystnie 0,5 mm, zaś termistor (4) czujnika, umieszczony pod membraną (1), jest połączony z katodą (3) bezpośrednio, natomiast z anodą (8) poprzez dwupozycyjny przełącznik (11), zamocowany w osłonie (14) nałożonej na górną część obudowy (6), nadto czujnik jest wyposażony w dodatkowy zbiomik (15) na badane medium, w postaci nasadki z gwintem wewnętrznym, w rowkach którego są umieszczone występy gwintu zewnętrznego wykonanego na dolnej części czujnika, wyposażony w króćce do doprowadzania i odprowadzania badanego medium. Fig.1

2 Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach Zastrzeżenie patentowe Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach, wyposażony w usytuowaną pionowo, walcową obudowę z wydrążoną wewnątrz, wzdłuż jej osi, komorą na elektrolit wewnętrzny, zamkniętą od góry nasadką, zaś od dołu połączoną z dolną podstawą obudowy, na którą jest nałożony krążek hydrofobowej membrany o krawędziach dociśniętych uszczelką do ścianki zewnętrznej obudowy, zawierający anodę w kształcie spirali umieszczoną wewnątrz komory z elektrolitem wewnętrznym i zamocowaną górnym końcem w nasadce zamykającej od góry komorę oraz srebrową katodę w kształcie spirali, zaopatrzone w przewody elektryczne do połączenia z miernikiem, wyposażony także w termistor połączony równolegle z elektrodami, znamienny tym, że jego srebrową katodę (3), umieszczoną na zewnątrz komory (7) na elektrolit wewnętrzny, stanowi zwinięty w spiralę pasek srebra, w którym odległość między zwojami wynosi około 1 mm, przymocowany do dolnej podstawy obudowy (6), wokół wylotu osiowego kanału wykonanego w dolnej części obudowy (6) i łączącego tę podstawę z komorą (7) na elektrolit wewnętrzny, a anodę (8), umieszczoną wewnątrz komory (7) na elektrolit wewnętrzny, stanowi zwinięty spiralnie arkusz blachy, korzystnie cynkowej, o grubości korzystnie 0,5 mm, zaś termistor (4) czujnika, umieszczony pod membraną (1), jest połączony z katodą (3) bezpośrednio, natomiast z anodą (8) poprzez dwupozycyjny przełącznik (11), zamocowany w osłonie (14) nałożonej na górną część obudowy (6), nadto czujnik jest wyposażony w dodatkowy zbiornik (15) na badane medium, w postaci nasadki z gwintem wewnętrznym, w rowkach którego są umieszczone występy gwintu zewnętrznego wykonanego na dolnej części czujnika, wyposażony w króćce do doprowadzania i odprowadzania badanego medium. * * * Przedmiotem wynalazku jest elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach. Znane są elektrody do pomiaru prężności tlenu, wyposażone w walcową obudowę z wydrążoną wewnątrz niej, wzdłuż jej osi, komorą wypełnioną elektrolitem wewnętrznym, wewnątrz której jest umieszczona platynowa lub srebrowa katoda w postaci usytuowanego w niej centrycznie krążka o powierzchni prostopadłej do jej osi oraz anoda w kształcie walca, połączone przewodami elektrycznymi z miernikiem prądu. Komora z elektrolitem wewnętrznym, zawierająca katodę i anodę, jest zamknięta od dołu krążkiem membrany hydrofobowej nałożonym na dolną podstawę obudowy i dociśniętym uszczelką do ścianki zewnętrznej obudowy. Niekiedy elektrody te są wyposażone w termistor do kompensacji wpływu zmian temperatury na wielkość sygnału elektrody. Umieszczenie katody i anody w komorze z elektrolitem wewnętrznym powoduje, iż mikroszczeliny tworzące się często w osłonie izolacyjnej katody, penetrowane przez ten elektrolit, stwarzają drogi upływu prądu fałszującego wyniki pomiarów. Elektrody te są opisane w czasopismach takich, jak Transaction of the American Society for Artificial-Internal Organs 2, 41 (1956), Journal of Elektroanalytical Chemistry 4, 65 (1962), Review of Scientific Instruments 41, 8 (1964), Biotechnology and Bioengineering 9, 635 (1967). Z opisu patentowego USA nr jest znany czujnik do wykrywania gazu, w którym jedna z elektrod m a kształt spirali. Natomiast z polskiego opisu patentowego nr jest znany układ kompensacji wpływu zmian tem peratury na wielkość sygnału membranowego czujnika tlenowego zawierającego komórkę elektrolityczną, wyposażony w termistor dołączony równolegle do wyjścia komórki elektrolitycznej.

3 Elektrochemiczny czujnik stężenia tlenu w cieczach i gazach, wyposażony w usytuowaną pionowo, walcową obudowę z wydrążoną wewnątrz, wzdłuż jej osi, komorą na elektrolit wewnętrzny, zamkniętą od góry nasadką, zaś od dołu połączoną z dolną podstawą obudowy, na którą jest nałożony krążek hydrofobowej membrany o krawędziach dociśniętych uszczelką do ścianki zewnętrznej obudowy, zawierający anodę w kształcie spirali, umieszczoną wewnątrz komory z elektrolitem wewnętrznym i zamocowaną górnym końcem w nasadce zamykającej od góry komorę oraz srebrową katodę w kształcie spirali, zaopatrzone w przewody elektryczne do połączenia z miernikiem, wyposażony także w termistor dołączony równolegle do elektrod, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jego srebrową katodę, umieszczoną poza komorą z elektrolitem wewnętrznym, stanowi zwinięty w spiralę pasek srebra, w którym odległość miedzy zwojami wynosi około 1 mm, przymocowany do dolnej podstawy obudowy, wokół wylotu osiowego kanału wykonanego w dolnej części obudowy, łączącego tę podstawę z komorą elektrolitu wewnętrznego, zaś anodę, umieszczoną wewnątrz komory na elektrolit wewnętrzny, stanowi zwinięty spiralnie arkusz blachy, korzystnie cynkowej, o grubości korzystnie 0,5 mm. Termistor czujnika, umieszczony pod membraną, jest połączony z katodą bezpośrednio, zaś z anodą poprzez dwupozycyjny przełącznik zamocowany w osłonie nałożonej na górną część obudowy. Nadto czujnik jest wyposażony w dodatkowy zbiornik na analizowane medium, w postaci nasadki z gwintem wewnętrznym, w rowkach którego są umieszczone występy gwintu zewnętrznego wykonanego na dolnej części czujnika, wyposażony w króćce do doprowadzania i odprowadzania analizowanego medium. W czujniku według wynalazku, dzięki oddzieleniu od siebie katody i anody przez umieszczenie katody na zewnątrz obudowy, wyeliminowano możliwości pasożytniczych upływów prądu fałszujących wyniki pomiarów. Kształt katody zastosowanej w czujniku według wynalazku zapewnia zwiększenie szybkości dyfuzji tlenu, którego strumień jest miarą stężenia oznaczanego substratu, co wpływa na przyśpieszenie pomiaru (szybkość odpowiedzi elektrody wynosi 5-10 s przy stosunkowo dużym natężeniu prądu równym około 3OμA). Zastosowanie w czujniku według wynalazku anody o dużej powierzchni czynnej, wydłuża czas eksploatacji czujnika między kolejnymi jego regeneracjami polegającymi na usuwaniu tlenku cynku oraz wydłuża żywotność ogólną czujnika. Termistor umieszczony w czujniku, tuż pod membraną, wykazuje, z dużą dokładnością, jej aktualną temperaturę, zaś dwupozycyjny przełącznik zastosowany w czujniku umożliwia włączenie tego termistora jako opornika obciążenia ogniwa zmieniającego, podczas pomiaru, sygnał prądowy na napięciowy oraz umożliwia rozwarcie katody i anody w przerwach między pomiarami. Zastosowanie dodatkowego zbiornika na analizowane medium, w postaci nasadki nakręconej na dolną część czujnika, umożliwia prowadzenie pomiaru w układzie przepływowym. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia czujnik w przekroju wzdłużnym, zaś fig. 2 - schemat układu elektrycznego. Czujnik jest wyposażony w usytuowaną pionowo, walcową obudowę 6, z wydrążoną wewnątrz, wzdłuż jej osi, komorą 7 na elektrolit wewnętrzny. Komora 7 jest połączona osiowym kanałem, wykonanym w dolnej części obudowy 6, z dolną podstawą obudowy 6. Na dolną podstawę obudowy 6 jest nałożony krążek hydrofobowej membrany 1, którego krawędzie są dociśnięte uszczelką 2 do ścianki zewnętrznej obudowy 6. W komorze 7 jest umieszczona anoda 8 w postaci zwiniętego spiralnie arkusza blachy cynkowej o grubości 0,5 mm. Górny koniec anody 8 jest zamocowany w nasadce z gwintem zewnętrznym, którego występy są umieszczone w rowkach gwintu wewnętrznego wykonanego w górnej części komory 7. Katodę 3 czujnika stanowi pasek srebra zwinięty w spiralę, w której odległość między zwojami wynosi około 1 mm, przyklejony do powierzchni dolnej podstawy obudowy 6 wokół wylotu osiowego kanału wykonanego w dolnej części obudowy 6. Pod membraną 1 jest umieszczony termistor 4 połączony jednym przewodem bezpośrednio z katodą 3 i drugim przewodem, poprzez dwupozycyjny przełącznik 11 zamocowany w osłonie 14 nałożonej na górną część obudowy 6, z anodą 8. Nadto czujnik jest wyposażony w dodatkowy zbiornik 15 na analizowane medium, w postaci nasadki z gwintem wewnętrznym, w którego

4 rowkach są umieszczone występy gwintu zewnętrznego wykonanego na dolnej części obudowy 6. Nasadka 15 jest wyposażona w króćce do doprowadzania i odprowadzania analizowanego medium. Połączenia nasadki, w której jest zamocowany górny koniec anody 8 i nasadki 15 z obudową 6 są uszczelnione za pomocą gumowych uszczelek 9. Katoda 3 i anoda 8 są połączone z miernikiem napięcia za pośrednictwem mikropotencjometru 12 umieszczonego w górnej części czujnika, pod osłoną 14, wyposażonego w odprowadzenia 13 do miernika napięcia. Katoda 3 jest połączona z mikropotencjometrem 12 przewodem 5 umieszczonym w kanale obudowy 6, zaś anoda 8 jest połączona z mikropotencjometrem 12 przewodem 10 za pośrednictwem dwupozycyjnego przełącznika 11. Bez nakręcenia dodatkowego zbiornika 15 pomiaru stężenia dokonuje się przez zanurzenie czujnika w badanym medium. Po nakręceniu dodatkowego zbiornika 15 na dolny koniec czujnika, pomiaru stężenia dokonuje się w układzie przepływowym, przez przepuszczenie przez ten zbiornik badanego roztworu lub buforu nośnego zawierającego badaną próbkę. Przy pomocy dwupozycyjnego przełącznika 11 włącza się termistor 4 jako opornik obciążenia ogniwa zmieniający, podczas pomiaru, sygnał prądowy na napięciowy oraz rozwiera się katodę 3 i anodę 8 w przerwach między pomiarami. Przy pomocy termistora 4, umieszczonego pod membraną 1, następuje kompensacja wpływu tem peratury na wynik pomiaru. Przy pomocy mikropotencjometru 12 reguluje się napięcie wyjściowe i zarazem czułość pomiaru, co umożliwia wyskalowanie czujnika i dostosowanie go do dowolnego miernika napięcia, na przykład w postaci pehametru, miliwoltomierza. Po immobilizacji na hydrofobowej membranie 1 odpowiedniego enzymu, czujnik stosuje się do oznaczania stężenia substratu, którego reakcja jest katalizowana przez ten enzym.

5 Fig.2

6 Fig.1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł