RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 339866
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
PL
196722
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
G01N 27/26 (2006.01)
G01N 33/18 (2006.01)
(22) Data zgłoszenia: 20.04.2000
Układ do prowadzenia pomiarów koncentracji jonów metali w roztworze wodnym
(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
Politechnika Gdańska,Gdańsk,PL
22.10.2001 BUP 22/01
(72) Twórca(y) wynalazku:
Krzysztof Suchocki,Bielkówko,PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.01.2008 WUP 01/08
(74) Pełnomocnik:
Popławski Czesław, Politechnika Gdańska
PL 196722 B1
(57)
1. Układ do pomiarów koncentracji jonów metali
w roztworze wodnym składający się dwóch elektrod,
miernika prądu oraz źródła napięcia, znamienny
tym, że elektroda pracująca (EP) i przeciwelektrodda (PE) oraz korzystnie elektroda odniesienia (EO)
umieszczone są na wewnętrznej powierzchni bocznej walca (W), który wykonany jest z materiału izolacyjnego, przy czym na zewnętrznej powierzchni bocznej walca (W) umieszczona jest cewka indukcyjna (L), a elektroda pracująca (EP) i przeciwelektrodda (PE) podłączone są do układu pomiarowego (UP1),
w którym pomiędzy elektrodą pracującą (EP) a przeciwelektrodą (PE) szeregowo podłączone są rezystor (R2), miliamperomierz (mA), regulowane źródło
napięcia stałoprądowego (Upol) i przełącznik (P2),
który sterowany jest z układu detekcji przejścia przez
zero (UP0) sygnału sterującego cewką indukcyjną (L),
zaś cewka indukcyjna (L) podłączona jest do układu
generatora (GEN), zaś układ generatora (GEN) podłączony jest do układu detekcji przejścia przez zero (UP0).
2
PL 196 722 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest układ do prowadzenia pomiarów koncentracji jonów metali w roztworze wodnym przy wykorzystaniu pola magnetycznego.
Znane są sposoby i układy do pomiaru koncentracji jonów metali w roztworze wodnym charakteryzujące się tym, że rejestrowana jest wartość prądu w funkcji wartości napięcia polaryzującego
elektrody, która umieszczona jest w badanym roztworze wodnym.
Znane sposoby charakteryzują się jednak niewystarczającą wielkością sygnału wyjściowego
z elektrody oraz co tym jest nierozłącznie związane – zbyt mała dokładnością w przypadku oznaczania bardzo małych koncentracji metali w roztworze wodnym. Wynika to z faktu, iż rejestrowany 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 jonów metalu w roztworze badanym
oraz gradientu koncentracji jonów oznaczanego metalu przy powierzchni elektrody.
Drugą składową rejestrowanego prądu jest prąd migracyjny związany z ruchem jonów metalu
w polu elektrycznym wytworzonym pomiędzy elektrodą pracującą i przeciwelektrodą, w badanym roztworze wodnym.
Trzecią składową prądu jest prąd pojemnościowy, który związany jest z ładowaniem i rozładowaniem pojemności warstwy podwójnej tworzącej się przy powierzchni elektrod zanurzonych w badanym roztworze wodnym.
Wartość składowej zakłócającej, która jest sumą prądu migracyjnego oraz prądu pojemnościowego jest ściśle związana z rozkładem pola elektrycznego w badanym roztworze wodnym oraz z czystością tego roztworu, a także ze stanem powierzchni elektrody pracującej i przeciwelektrody.
Układ do pomiarów koncentracji jonów metali w roztworze wodnym składający się z dwóch elektrod, miernika prądu oraz źródła napięcia, charakteryzuje się tym, że elektroda pracująca i przeciwelektroda oraz korzystnie elektroda odniesienia umieszczone są na wewnętrznej powierzchni bocznej
walca wykonanego z materiału izolacyjnego. Na zewnętrznej powierzchni bocznej walca umieszczona
jest cewka indukcyjna. Elektroda pracująca i przeciwelektroda podłączone są do układu pomiarowego,
w którym pomiędzy elektrodą pracującą a przeciwelektrodą szeregowo podłączone są rezystor, miliamperomierz, regulowane źródło napięcia stałoprądowego i przełącznik sterowany z układu przejścia
przez zero sygnału sterującego cewką indukcyjną. Cewka indukcyjna podłączona jest do układu generatora, zaś układ generatora podłączony jest do układu detekcji przejścia przez zero.
W korzystnej odmianie układu dwie elektrody pomocnicze umieszczone są przeciwlegle na wewnętrznej powierzchni bocznej walca, a pomiędzy elektrodami pomocniczymi umieszczony jest szeregowo rezystor, przełącznik oraz regulowane źródło napięcia.
W innej odmianie układu regulowane źródło napięcia jest źródłem napięcia zmiennoprądowego
a do źródła napięcia podłączony jest układ detekcji przejścia napięcia zmiennoprądowego przez zero.
Jony metalu zawarte w badanym roztworze wodnym, których wartość napięcia redukcji jest niższa od wartości napięcia elektrody pracującej, redukują się na powierzchni elektrody pracującej powodując przepływ prądu, którego wartość jest wprost proporcjonalna do stężenia oznaczonych jonów
i jest mierzona z wykorzystaniem miliamperomierza. W wyniku oddziaływania pola magnetycznego na
poruszające się jony metalu działa dodatkowa siła, która powoduje wzrost wartości strumienia jonów
do powierzchni elektrody pracującej. Przy zmianie wartości napięcia polaryzującego cewkę indukcyjną
z dodatniej na ujemną, z uwagi na zmianę zwrotu siły oddziaływującej na poruszające się jony a wytworzoną przez pole magnetyczne, następuje odłączenie napięcia polaryzującego elektrodę pracującą
oraz przeciwelektrodę poprzez rozwarcie przełącznika. W tym samym czasie odłączane jest także napięcie polaryzujące elektrody pomocnicze. W chwili zmiany wartości napięcia polaryzującego cewkę
indukcyjną z ujemnej na dodatnią ponownie podłączane jest napięcie polaryzujące do elektrod pomocniczych i napięcie polaryzujące elektrodę pracującą wraz z przeciwelektrodą. Dzięki temu w czasie trwania ujemnej połowy napięcia zasilającego cewkę indukcyjną jony metalu nie przemieszczane
są w kierunku przeciwelektrody, a po zmianie polaryzacji tego napięcia poruszają się do elektrody
pracującej, co powoduje wzrost strumienia jonów, a tym samym zwiększenie sygnału wyjściowego
elektrody pomiarowej.
Dzięki korzystaniu z układu według wynalazku, wzrost wartości prądu faradajowskiego reakcji
elektrochemicznej wywołany zmianą mechanizmu transportu jonów prowadzi do polepszenia stosunków wartości prądu faradajowskiego do zakłócającego prądu pojemnościowego i migracyjnego, a tym
PL 196 722 B1
3
samym poprawia się dokładność oraz rozdzielczość prowadzonych oznaczeń elektrochemicznych.
Zmiana wartości trzech składowych rejestrowanego prądu umożliwia również zwiększenie szybkości
narastania napięcia polaryzującego elektrodę, co pozwala na badanie szybkich procesów elektrochemicznych i oznaczanie bardzo małych koncentracji domieszek w badanym roztworze wodnym.
Wynalazek przedstawiony jest bliżej na rysunku na którym fig. 1 obrazuje podstawową wersję
układu pomiarowego, fig. 2 ukazuje modyfikację układu polegającą na zastosowaniu regulowanego
źródła napięcia zmiennoprądowego wraz z układem detekcji przejścia przez zero w celu wytworzenia
pola elektrycznego w czasie trwania jednego półokresu napięcia zmiennoprądowego podłączonego do
elektrod pomocniczych, fig. 3 przedstawia elektrodę pomiarową, w której zastosowano elektrodę odniesienia 4, fig. 4 prezentuje układ, gdzie elektroda pomiarowa zawiera elektrodę odniesienia oraz
zastosowane jest regulowane źródło napięcia zmiennoprądowego wraz z układem detekcji przejścia
przez zero, w celu wytworzenia pola elektrycznego w czasie trwania jednego półokresu napięcia
zmiennoprądowego podłączonego do elektrod pomocniczych, zaś fig. 5 pokazuje elektrodę pomiarową zanurzoną w badanym roztworze.
Przykład 1
Na powierzchni bocznej elektrody pomiarowej wykonanej z materiału izolacyjnego w postaci
walca W, na której umieszczone są cztery elektrody: elektroda pracująca EP, przeciwelektroda PE,
elektroda odniesienia EO oraz dwie elektrody pomocnicze EPOM. Dwie elektrody EPOM pomocnicze
umieszczone są na bocznej, wewnętrznej powierzchni walca W naprzeciwko siebie. Elektroda pracująca EP, a także elektroda odniesienia EO oraz przeciwelektroda PE umieszczone są na bocznej,
wewnętrznej powierzchni elektrody pomiarowej, pod kątem prostym do kierunku umieszczenia elektrod pomocniczych EPOM. Elektrody pomocnicze EPOM polaryzowane są przez przełącznik P1 napięciem stałym ze źródła napięcia stałego Uster. Elektroda pracująca EP oraz przeciwelektroda PE
polaryzowane są przez przełącznik P2, napięciem stałym ze źródła napięcia stałego Upol. Na zewnętrznej powierzchni bocznej elektrody pomiarowej umieszczona jest cewka indukcyjna L, polaryzowana napięciem zmiennym Ugen z układu generatora GEN, wytwarzającego pole magnetyczne w roztworze badanym R.
Prąd płynący w układzie elektroda pracująca – przeciwelektroda, związany z procesem indukcji
jonów metali na powierzchni elektrody pracującej, mierzony jest poprzez miliamperomierz A.
Do naczynia pomiarowego NP wkłada się elektrodę pomiarową wykonaną w postaci walca W
z izolatora z naniesionymi na jego wewnętrznej powierzchni bocznej elektrodami pomocniczymi EPOM,
a także elektrodą pracującą EP, elektrodą odniesienia EO i przeciwelektroda PE oraz z cewką indukcyjną L, umieszczoną na zewnętrznej powierzchni elektrody pomiarowej, wlewa się badany roztwór R
i oznacza zawarte w roztworze koncentracje jonów metali.
Przykład 2
Układ wykonany jest jak w przykładzie 1 z tym, że elektrody pomocnicze EPOM polaryzowane są przez przełącznik P1 napięciem zmiennym ze źródła napięcia zmiennoprądowego Uster. Pole
elektryczne pomiędzy elektrodami pomocniczymi EPOM jest wytwarzane podczas trwania jednego
półokresu napięcia zmiennego ze źródła napięcia zmiennoprądowego i jednego półokresu napięcia
zmiennego Ugen z układu generatora GEN, polaryzującego cewkę indukcyjną L wytwarzającą pole magnetyczne w roztworze badanym R. Oznaczeń koncentracji jonów metali dokonuje się tak jak
w przykładzie 1.
Przykład 3
Układ wykonany jest jak w przykładzie 1 z tym, że dodatkowo na powierzchni bocznej walca W
umieszczona jest elektroda odniesienia EO. Pomiędzy elektrodą odniesienia EO a elektrodą pracującą EP podłączony jest miliwoltomierz mV. Oznaczeń koncentracji jonów metali dokonuje się tak jak
w przykładzie 1.
Zastrzeżenia patentowe
1. Układ do pomiarów koncentracji jonów metali w roztworze wodnym składający się dwóch
elektrod, miernika prądu oraz źródła napięcia, znamienny tym, że elektroda pracująca (EP) i przeciwelektroda (PE) oraz korzystnie elektroda odniesienia (EO) umieszczone są na wewnętrznej powierzchni bocznej walca (W), który wykonany jest z materiału izolacyjnego, przy czym na zewnętrznej
powierzchni bocznej walca (W) umieszczona jest cewka indukcyjna (L), a elektroda pracująca (EP)
4
PL 196 722 B1
i przeciwelektroda (PE) podłączone są do układu pomiarowego (UP1), w którym pomiędzy elektrodą
pracującą (EP) a przeciwelektrodą (PE) szeregowo podłączone są rezystor (R2), miliamperomierz (mA),
regulowane źródło napięcia stałoprądowego (Upol) i przełącznik (P2), który sterowany jest z układu
detekcji przejścia przez zero (UP0) sygnału sterującego cewką indukcyjną (L), zaś cewka indukcyjna (L) podłączona jest do układu generatora (GEN), zaś układ generatora (GEN) podłączony jest do
układu detekcji przejścia przez zero (UP0).
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że dwie elektrody pomocnicze (EPOM) umieszczone są przeciwlegle na wewnętrznej powierzchni bocznej walca (W), a pomiędzy elektrodami pomocniczymi (EPOM) umieszczony jest szeregowo rezystor (R1), przełącznik (P1) oraz regulowane źródło
napięcia (Uster).
3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że regulowane źródło napięcia (Uster) jest źródłem
napięcia zmiennoprądowego, a do źródła napięcia (Uster) podłączony jest układ detekcji przejścia
napięcia zmiennoprądowego przez zero (UP1).
Rysunki
PL 196 722 B1
5
6
PL 196 722 B1
PL 196 722 B1
7
8
PL 196 722 B1
Departament Wydawnictw UP RP
Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.
