PL196723B1

PL196723B1 - Method of measuring concentration of oxygen dissolved in aqueous solutions

Info

Publication number: PL196723B1
Application number: PL339873A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Suchocki
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2008-01-31
Also published as: PL339873A1

Abstract

Układ do prowadzenia pomiarów stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnym, składający się z elektrody pracują cej, przeciwelektrody i elektrody odniesienia, źródła fali ultradźwiękowej oraz komory na elektrolit podstawowy i naczynia na roztwór badany, znamienny tym, że elektroda pracująca (2), elektroda odniesienia (4) i przeciwelektroda (3) umieszczone są na dolnej powierzchni (5) źródła fali ultradźwiękowej (1), która pokryta jest izolatorem (9).A system for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution, consisting of a working electrode, a counter electrode and a reference electrode, an ultrasonic wave source and a chamber for the base electrolyte and a vessel for the tested solution, characterized in that the working electrode (2), the reference electrode (4) and the counter electrode (3) are placed on the lower surface (5) of the ultrasonic wave source (1), which is covered with an insulator (9).

Description

RZECZPOSPOLITAREPUBLIC

POLSKAPOLAND

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196723 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 339873 (51) Int.Cl.(12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 196723 (13) B1 (21) Application number: 339873 (51) Int.Cl.

G01N 27/26 (2006.01) G01N 33/18 (2006.01)G01N 27/26 (2006.01) G01N 33/18 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 20.04.2000 (54) Układ do prowadzenia pomiarówstężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnymPatent Office of the Republic of Poland (22) Date of filing: 20/04/2000 (54) System for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution

(73) Uprawniony z patentu:(73) Patent holder: (43) Zgłoszenie ogłoszono:(43) The application was announced: Politechnika Gdańska,Gdańsk,PLGdańsk University of Technology, Gdańsk, Poland 22.10.2001 BUP 22/01 22/10/2001 BUP 22/01 (72) Twórca(y) wynalazku:(72) Inventor(s): Krzysztof Suchocki,Bielkówko,PLKrzysztof Suchocki, Bielkówko, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:(45) The patent was granted on: 31.01.2008 WUP 01/08 31/01/2008 WUP 01/08 (74) Pełnomocnik:(74) Attorney: Popławski Czesław, Politechnika GdańskaCzesław Popławski, Gdańsk University of Technology

(57) Układ do prowadzenia pomiarów stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnym, składający się z elektrody pracującej, przeciwelektrody i elektrody odniesienia, źródła fali ultradźwiękowej oraz komory na elektrolit podstawowy i naczynia na roztwór badany, znamienny tym, że elektroda pracująca (2), elektroda odniesienia (4) i przeciwelektroda (3) umieszczone są na dolnej powierzchni (5) źródła fali ultradźwiękowej (1), która pokryta jest izolatorem (9).(57) A system for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution, consisting of a working electrode, a counter electrode and a reference electrode, an ultrasonic wave source and a chamber for the base electrolyte and a vessel for the tested solution, characterized in that the working electrode (2), the reference electrode (4) and the counter electrode (3) are placed on the lower surface (5) of the ultrasonic wave source (1), which is covered with an insulator (9).

PL 196 723 B1PL 196 723 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do prowadzenia pomiarów stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnym.The subject of the invention is a system for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution.

Znane są sposoby i układy pomiaru stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnym polegające na rejestrowaniu wartości w funkcji wartości napięcia polaryzacyjnego elektrody, która umieszczona jest w badanym roztworze.There are known methods and systems for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution, which consist in recording the value as a function of the polarization voltage of an electrode placed in the tested solution.

Znane sposoby charakteryzują się jednak niewystarczającą wielkością sygnału wyjściowego czujnika tlenowego oraz co z tym jest nierozłącznie związane - zbyt małą dokładnością w przypadku oznaczenia bardzo małych stężeń tlenu rozpuszczonego. Wynika to z faktu, iż w tych sposobach rejestrowanych prąd jest sumą trzech składowych, w tym dwóch składowych zakłócających. Wartość pierwszej składowej oznaczonej jako prąd faradajowski jest wprost proporcjonalna do powierzchni czynnej elektrody pracującej, współczynnika dyfuzji cząsteczek tlenu w dwuwarstwowym układzie: membrana - przykatodowa warstwa elektrolitu oraz gradientu stężeń tlenu rozpuszczonego na powierzchni elektrody. Drugą składową rejestrowanego prądu jest prąd migracyjny związany z ruchem cząsteczek tlenu w polu elektrolitu przykatodowego oddzielonego od roztworu polimerową membraną. Trzecią składową prądu jest prąd pojemnościowy, który jest związany z ładowaniem i rozładowywaniem pojemności warstwy podwójnej tworzącej się przy powierzchni elektrod zanurzonych w elektrolicie.Known methods, however, are characterized by insufficient output signal from the oxygen sensor and, inherently, insufficient accuracy when determining very low dissolved oxygen concentrations. This is due to the fact that in these methods, the recorded current is the sum of three components, including two interfering components. The value of the first component, designated as the Faradaic current, is directly proportional to the active surface area of the working electrode, the diffusion coefficient of oxygen molecules in the two-layer system: membrane - near-cathode electrolyte layer, and the concentration gradient of dissolved oxygen at the electrode surface. The second component of the recorded current is the migration current associated with the movement of oxygen molecules in the near-cathode electrolyte field, separated from the solution by a polymer membrane. The third component of the current is the capacitive current, which is associated with the charging and discharging of the capacitive double layer formed at the surface of the electrodes immersed in the electrolyte.

Wartość składowej zakłócającej, która jest sumą prądu migracyjnego oraz prądu pojemnościowego jest ściśle związana z rozkładem pola elektrycznego w elektrolicie czujnika jak i z czystością elektrolitu czujnika oraz roztworu, w którym przeprowadzone są pomiary.The value of the interference component, which is the sum of the migration current and the capacitive current, is closely related to the distribution of the electric field in the sensor electrolyte as well as to the purity of the sensor electrolyte and the solution in which the measurements are carried out.

Z opisu patentowego JP 58122455 znane jest urządzenie do analizy stężenia jonów składających się z układu elektrod, które kontaktują się z badanym roztworem. Urządzenie zawiera również źródło fal ultradźwiękowych, którego zadaniem jest ułatwienie kontaktu składników zawartych w roztworze z układem elektrod.Patent description JP 58122455 describes a device for analyzing ion concentrations consisting of an array of electrodes in contact with the solution being tested. The device also includes an ultrasonic wave source, which facilitates contact of the components contained in the solution with the electrode array.

Z opisu patentowego PL 1891787 znany jest sposób charakteryzujący się tym, że badany roztwór wodny styka się poprzez membranę z elektrolitem podstawowym, w którym zanurza się elektrodę pracującą, przeciwelektrodę oraz korzystnie elektrodę odniesienia, przy czym elektrodę pracującą, elektrodę odniesienia i przeciwelektrodę umieszcza się na dolnej powierzchni źródła fali ultradźwiękowej, która pokryta jest izolatorem a dolną powierzchnię wprowadza się w drgania.Patent description PL 1891787 describes a method characterized in that the tested aqueous solution is in contact with a basic electrolyte through a membrane, in which a working electrode, a counter electrode and preferably a reference electrode are immersed, wherein the working electrode, the reference electrode and the counter electrode are placed on the lower surface of the ultrasonic wave source, which is covered with an insulator and the lower surface is set in vibration.

Układ do przeprowadzenia pomiarów stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze wodnym składający się z elektrody pracującej, przeciwelektrody i elektrody odniesienia, źródła fali ultradźwiękowej oraz komory na elektrolit podstawowy i naczynia na roztwór badany charakteryzujący się według wynalazku tym, że elektrodę pracującą, elektrodę odniesienia i przeciwelektrodę umieszcza się na dolnej powierzchni źródła fali ultradźwiękowej, która pokryta jest izolatorem.A system for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution, comprising a working electrode, a counter electrode and a reference electrode, an ultrasonic wave source, and a chamber for the base electrolyte and a vessel for the tested solution, characterized according to the invention in that the working electrode, the reference electrode and the counter electrode are placed on the lower surface of the ultrasonic wave source, which is covered with an insulator.

Transport cząsteczek tlenu wywołany propagacją fali ultradźwiękowej jest silnie uzależniony od wartości ciśnienia fali akustycznej, a tym samym od amplitudy drgań fali ultradźwiękowej na powierzchni której umieszczone zostały elektrody pomiarowe.The transport of oxygen molecules caused by the propagation of an ultrasonic wave is strongly dependent on the pressure value of the acoustic wave, and therefore on the amplitude of the ultrasonic wave vibrations on the surface of which the measuring electrodes are placed.

Dzięki korzystaniu z wynalazku wzrost wartości prądu faradajowskiego reakcji elektrochemicznej związanej z redukcją cząsteczek tlenu rozpuszczonego w roztworach wodnych wywołany zmianą mechanizmu transportu jonów prowadzi do polepszenia stosunku wartości prądu faradajowskiego do zakłócenia prądu pojemnościowego oraz migracyjnego, a tym samym poprawia dokładność oraz rozdzielczość prowadzonych oznaczeń elektrochemicznych tlenu rozpuszczonego.By using the invention, the increase in the Faradaic current value of the electrochemical reaction related to the reduction of dissolved oxygen molecules in aqueous solutions caused by a change in the ion transport mechanism leads to an improvement in the ratio of the Faradaic current value to the interference of the capacitive and migration current, and thus improves the accuracy and resolution of the electrochemical determinations of dissolved oxygen.

Wynalazek przedstawiony jest bliżej na rysunku, na którym fig. 1 przestawia układ do pomiaru stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworach wodnych, fig. 2 - naczynie pomiarowe z umieszczonymi w nim elektrodami.The invention is presented in more detail in the drawing, where Fig. 1 shows a system for measuring the concentration of oxygen dissolved in aqueous solutions, Fig. 2 - a measuring vessel with electrodes placed in it.

P r z y k ł a dExample

Elektrodę pracującą 2, przeciwelektrodę 3 i elektrodę odniesienia 4 nanosi się na warstwę izolatora 9 zamontowanego na dolnej powierzchni 5 źródła fali ultradźwiękowej 1, którym jest przewodnik ultradźwiękowy. W komorze 12, której dno stanowi membrana 7 umieszcza się elektrolit podstawowy 6 w którym zanurza się elektrodę pracującą 2, elektrodę odniesienia 4 oraz przeciwelektrodę 3, przy czym całość zanurza się do naczynia pomiarowego 11, które zawiera badany roztwór wodny 8.The working electrode 2, counter electrode 3, and reference electrode 4 are applied to an insulator layer 9 mounted on the lower surface 5 of the ultrasonic wave source 1, which is an ultrasonic conductor. A base electrolyte 6 is placed in a chamber 12, the bottom of which is a membrane 7, into which the working electrode 2, reference electrode 4, and counter electrode 3 are immersed, the whole being immersed in a measuring vessel 11 containing the tested aqueous solution 8.

Źródło fali ultradźwiękowej 1 podłącza się do wyjścia wzmacniacza mocy WZM. Wejście wzmacniacza mocy WZM podłącza się z wyjściem generatora GEN.Ultrasonic wave source 1 is connected to the output of the WZM power amplifier. The input of the WZM power amplifier is connected to the output of the GEN generator.

PL 196 723 B1PL 196 723 B1

Elektrodę pracującą 2, elektrodę odniesienia 4 oraz przeciwelektrodą 3 polaryzuje się napięciem stałym ze źródła napięcia stałego Upol, o wartości odpowiadającej napięciu redukcji tlenu. Elektrodę pracującą 2 łączy się z ujemnym biegunem źródła napięcia stałego Upol.Working electrode 2, reference electrode 4, and counter electrode 3 are polarized with a DC voltage from a DC voltage source Upol, with a value corresponding to the oxygen reduction voltage. Working electrode 2 is connected to the negative pole of the DC voltage source Upol.

Po zasileniu źródła fali ultradźwiękowej sygnałem zmiennym z układu GEN i WZM dolna powierzchnia 5 źródła fali ultradźwiękowej 1 wraz z naniesionymi elektrodami 2, 3, 4 i membraną 7 zostaje wprowadzona w drgania, co powoduje zwiększenie wielkości strumienia przepływu cząsteczek tlenu rozpuszczonego w badanym roztworze wodnym 8 do powierzchni czynnej 10 elektrody pracującej 2.After supplying the ultrasonic wave source with an alternating signal from the GEN and WZM systems, the lower surface 5 of the ultrasonic wave source 1 together with the applied electrodes 2, 3, 4 and the membrane 7 is set into vibration, which causes an increase in the flow rate of oxygen molecules dissolved in the tested aqueous solution 8 to the active surface 10 of the working electrode 2.

Po spolaryzowaniu napięciem stałym elektrod 2, 3, 4 czujnika następuje pomiar prądu faradajowskiego procesu redukcji cząsteczek tlenu na powierzchni elektrody pracującej 2. Wartość sygnału wyjściowego tj. prądu mierzona jest z wykorzystaniem miliamperomierza mA.After polarizing the electrodes 2, 3, 4 of the sensor with a direct voltage, the Faradaic current of the oxygen molecule reduction process on the surface of the working electrode 2 is measured. The value of the output signal, i.e. the current, is measured using a milliammeter mA.

Claims

Patent claim

A system for measuring the concentration of oxygen dissolved in an aqueous solution, consisting of a working electrode, counter electrode and reference electrode, an ultrasonic wave source and a chamber for the base electrolyte and vessels for the tested solution, characterized in that the working electrode (2), reference electrode (4) and a counter electrode (3) are placed on the lower surface (5) of the ultrasonic wave source (1), which is covered with an insulator (9).