CN107817212B - 一种微液膜离子浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微液膜离子浓度传感器，包括：壳体、工作电极、质子膜、参比电极和参比溶液；壳体的上端设有开口，壳体的开口处设置工作电极和质子膜，工作电极的下表面与质子膜相接触，质子膜与壳体之间具有一个密闭容纳空间，密闭容纳空间内设置参比电极且密闭容纳空间内充满参比溶液，工作电极为环片状，工作电极暴露在空气中且工作电极的表面设置有目标离子敏感物质，工作电极通过第一引线引出壳体，参比电极为片状，参比电极通过第二引线引出壳体。该传感器结构简单，小巧紧凑，能直接用于对航空装备所处腐蚀环境中腐蚀离子的在线测量，不仅便于安装实现，而且测量精度高，其测量结果还能够反应出腐蚀环境中离子浓度的变化。
Description
技术领域
本发明涉及电化学传感器技术领域，特别是涉及一种微液膜离子浓度传感器。
背景技术
从检测信号类型来看，腐蚀监测主要包括腐蚀特征量的监测和腐蚀环境因素的监测两个方面。腐蚀特征量的监测是对腐蚀速率、腐蚀电流、腐蚀失重、涂层阻抗等腐蚀特征量的监测，腐蚀环境因素的监测主要是针对温度、湿度、腐蚀介质、pH等环境因素变量的测量。
目前，腐蚀特征量的监测发展较为成熟，而腐蚀环境因素的监测仅局限于温度、湿度、润湿时间等环境因素变量的测量，对于大气腐蚀中最为关键的微液膜环境下的腐蚀环境因素的测量，发展较为滞后。
航空装备面临的腐蚀类型主要为大气腐蚀，尤其是海军航空装备面临的是更为严酷的海洋大气腐蚀的考验。现有的对于航空装备表面微液膜中的腐蚀性离子的测量大多采取间接测量和反推的方法，该方法首先需要长期收集腐蚀环境的溶液，然后将收集到的溶液应用实验室的各种电化学测量装置对溶液中的离子浓度进行测量，其测量装置一般都较为复杂且难以微型化，不能直接用于对航空装备所处腐蚀环境中腐蚀离子的在线测量。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构简单，小巧紧凑，能直接用于对航空装备所处腐蚀环境中腐蚀离子的在线测量的微液膜离子浓度传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微液膜离子浓度传感器，包括：壳体、工作电极、质子膜、参比电极和参比溶液；
所述壳体的上端设有开口，所述壳体的开口处设置所述工作电极和所述质子膜，所述工作电极的下表面与所述质子膜相接触，所述质子膜与所述壳体之间具有一个密闭容纳空间，所述密闭容纳空间内设置所述参比电极且所述密闭容纳空间内充满参比溶液，所述工作电极为环片状，所述工作电极暴露在空气中且所述工作电极的表面设置有目标离子敏感物质，所述工作电极通过第一引线引出所述壳体，所述参比电极为片状，所述参比电极通过第二引线引出所述壳体。
可选的，所述壳体的开口处设置第一安置部，所述第一安置部为阶梯形，所述第一安置部内设置所述工作电极和所述质子膜，所述第一安置部与所述质子膜之间设置垫圈。
可选的，所述微液膜离子浓度传感器还包括套盖，所述套盖的上端设置第二开口，所述套盖与所述壳体通过螺纹固定连接，所述第二开口的尺寸大于所述壳体的开口的尺寸，所述第二开口与所述壳体连接的一侧设置第二安置部，所述第二安置部为阶梯形，所述第二安置部内设置垫圈。
可选的，所述工作电极连接第一直杆，所述第一直杆贯穿所述壳体的侧壁，所述第一引线套设在所述第一直杆内，所述参比电极连接第二直杆，所述第二直杆贯穿所述壳体的底部，所述第二引线套设在所述第二直杆内。
可选的，所述壳体的底部设置可拆封的密封预留孔，所述预留孔用于通入所述参比溶液。
可选的，所述壳体的侧壁设置第一通孔，所述第一通孔的直径与所述第一直杆的直径相匹配，所述壳体的底部设置第二通孔，所述第二通孔的直径与所述第二直杆的直径相匹配。
可选的，所述壳体的开口为圆形，所述工作电极为圆环片状，所述参比电极为圆盘状。
可选的，所述参比电极为银或氯化银电极，所述工作电极为银或氯化银电极，所述参比溶液为饱和氯化钾溶液。
可选的，所述质子膜为杜邦Nafion-115质子交换膜。
可选的，所述银或氯化银电极通过对纯银基体采用直接氯化法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种微液膜离子浓度传感器，包括：壳体、参比电极、参比溶液、工作电极和质子膜；壳体的上端设有开口，壳体的开口处设置质子膜和工作电极，工作电极的下表面与质子膜相接触，质子膜与壳体之间具有一个密闭容纳空间，密闭容纳空间内设置参比电极且密闭容纳空间内充满参比溶液，工作电极为环片状，工作电极暴露在空气中且工作电极的表面设置有目标离子敏感物质，工作电极通过第一引线连接到壳体的外部，参比电极为片状，参比电极通过第二引线连接到壳体的外部。该传感器通过设置参比电极产生一个稳定的参考电势，通过设置质子膜将参比电极形成的参考电势与工作电极产生的工作电势连接形成回路，依据参考电势与工作电势共同组成的电势差，测得微液膜中目标离子的浓度，该传感器结构简单，小巧紧凑，能直接用于对航空装备所处腐蚀环境中腐蚀离子的在线测量，不仅便于安装实现，而且测量精度高，其测量结果还能够反应出腐蚀环境中离子浓度的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微液膜离子浓度传感器的结构图；
图2为本发明实施例微液膜离子浓度传感器壳体的结构图；
图3为本发明实施例微液膜离子浓度传感器套盖的结构图；
图4为本发明实施例氯离子传感器的工作电极的结构图；
图5为本发明实施例氯离子传感器的参比电极的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例微液膜离子浓度传感器的结构图，图2为本发明实施例微液膜离子浓度传感器壳体的结构图。
参见图1，实施例中的微液膜离子浓度传感器包括壳体1、工作电极2、质子膜3、参比电极4、参比溶液、第一安置部6、垫圈7、第一直杆8、第二直杆9、第一通孔10、第二通孔11、预留孔12、套盖13、螺纹14和第二安置部15。
参见图1和图2，所述壳体1的上端设有圆形开口，所述壳体1的开口处设置第一安置部6，所述第一安置部6为阶梯形，所述第一安置部6内设置所述工作电极2和所述质子膜3，所述第一安置部6与所述质子膜3之间设置垫圈7，所述垫圈7的尺寸与所述第一安置部6的尺寸相匹配，所述工作电极2的下表面与所述质子膜3相接触，所述工作电极2为圆环片状，所述工作电极2暴露在空气中且所述工作电极2的表面设置有目标离子敏感物质，所述质子膜3为杜邦Nafion-115质子交换膜，所述质子膜3与所述壳体1之间具有一个密闭容纳空间5，所述密闭容纳空间5内底部设置所述参比电极4且所述密闭容纳空间5内充满参比溶液，所述参比电4极为圆盘状，所述工作电极2连接第一直杆8，所述第一直杆8贯穿所述壳体1的侧壁，所述第一直杆8用于套设第一引线，所述第一引线用于连接所述工作电极2，并将所述工作电极2引出所述壳体1，所述参比电极4连接第二直杆9，所述第二直杆9贯穿所述壳体1的底部，所述第二直杆9用于套设第二引线，所述第二引线用于连接所述参比电极4，并将所述参比电极4引出所述壳体1，所述壳体1的侧壁设置第一通孔10，所述第一通孔10用于设置第一直杆8，所述壳体1的底部设置第二通孔11和可拆封的密封预留孔12，所述第二通孔11用于设置第二直杆9，所述第二通孔11与所述第二直杆9之间设置硅胶塞，以保证壳体1底部的密封性，所述预留孔12用于通入所述参比溶液，所述预留孔12可用硅胶塞进行填堵，以保证壳体1底部的密封性。
实施例中的微液膜离子浓度传感器还包括套盖13，图3为本发明实施例微液膜离子浓度传感器套盖的结构图，参见图1和图3，所述套盖13的上端设置第二开口，所述第二开口为圆形开口，所述套盖13与所述壳体1通过螺纹14固定连接，所述第二开口的尺寸与所述壳体1的开口的尺寸相等，所述第二开口与所述壳体1连接的一侧设置第二安置部15，所述第二安置部15为阶梯形，所述第二安置部15的尺寸与所述第一安置部6的尺寸相同，所述第二安置部15内设置垫圈7。
所述微液膜离子浓度传感器中质子膜3的作用一是将工作电极2与参比电极4连接成回路，二是密封参比电极4端参比溶液；垫圈7和套盖13的作用是保证工作电极2与质子膜3之间以及参比电极4与质子膜3之间的密封性。
所述微液膜离子浓度传感器的工作原理为：工作电极暴露在工作环境中，其表面的目标离子敏感物质可对工作环境中的目标离子产生电势响应，参比电极为传感器提供一个稳定的参考电势输出，质子膜将工作电极产生的工作电势与参比电极产生的参考电势连接形成回路，这样，工作电极产生的工作电势与参比电极产生的参考电势就共同组成了一个电势差，该电势差能够反映微液膜中目标离子的浓度，进而达到测量目标离子浓度的目的。
本实施例中的微液膜离子浓度传感器结构简单，小巧紧凑，便于安装，能直接用于对航空装备所处腐蚀环境中腐蚀离子的在线测量，其可通过更换不同的工作电极、参比电极和参比溶液，实现对不同腐蚀离子的测量，操作简便，测量精度高，其测量结果还能够反应出腐蚀环境中离子浓度的变化。
在实际应用中，实施例中的微液膜离子浓度传感器可以为氯离子传感器，图4为本发明实施例氯离子传感器的工作电极的结构图，参见图4，所述氯离子传感器的工作电极为圆环片状，内圆直径rw＝80mm，外圆直径Rw＝20mm，则圆环的宽度为rw-Rw，即为60mm，圆环的厚度Tw＝1mm，工作电极的一端连接第一直杆，第一直杆的长度Lw＝32mm，第一直杆内套设第一引线，第一直杆的直径大于第一引线的直径，第一引线的直径为0.8mm，第一引线将工作电极引出壳体，以连接各种电信号采集设备；图5为本发明实施例氯离子传感器的参比电极的结构图，参见图5，参比电极为圆盘状，圆盘直径Rr＝11mm，厚度Tr＝1mm，距圆盘的圆心1.5mm处连接第二直杆，第二直杆的长度Lr＝30mm，第二直杆内套设第二引线，第二直杆的直径大于第二引线的直径，第二引线的直径为2mm。
所述氯离子传感器的工作电极为银或氯化银(Ag/AgCl)电极，参比电极也为银或氯化银电极，银或氯化银电极的制备方法如下：
银或氯化银电极由纯银基体通过直接氯化法制得，首先对纯银基体打磨清洗，分别用600目、1000目、2000目的砂纸进行打磨抛光；然后将抛光后的纯银基体分别放入丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，清洗时间为10～20分钟；将经过清洗后的纯银基体晾干，并将晾干后的纯银基体与铂丝组成电极，放置于0.1mol/L的稀盐酸溶液中通电氯化，当纯银基体表面逐渐变为深褐色即为生产的AgCl，具体为采用恒压源5V档供电，纯银基体连接电源正极，铂丝连接电源负极，通电1分钟。
氯离子传感器的工作电极表面设置氯离子敏感物质，可对氯离子产生电势响应，以达到测量腐蚀环境中氯离子的浓度，氯离子传感器的参比电极由参比溶液包裹共同自称参比电极体系，参比溶液为饱和氯化钾溶液。
采用氯离子传感器测量氯离子的浓度，其具体操作过程如下：
取容纳空间内设置有银或氯化银电极作为参比电极的壳体，依次放置好垫圈和质子膜，并在质子膜的上方放置提前制备好的且表面具有氯离子敏感物质的银或氯化银电极作为工作电极，使工作电极正好盖压质子膜，这样便使得壳体的上部具有密封特性；取套盖并放置好垫圈，将套盖缓慢拧接在壳体上，使得工作电极及质子膜充分夹紧于上下两个垫圈之间，充分保持质子膜和工作电极处的密封特性；将传感器倒置，露出壳体底部的预留孔，将提前制备好的饱和氯化钾溶液用注射器充于传感器的壳体内部；再用设计好的硅胶塞堵住预留孔，硅胶塞可以防止饱和氯化钾溶液漏液，同时，由于塞入硅胶塞后，壳体内部压强增大，给质子膜靠近溶液的一侧提供了一个预应力，保证了质子膜可以和工作电极充分贴合；将氯离子传感器置于腐蚀环境中，直接测得氯离子的浓度。
上述氯离子传感器具有以下优点：
1)结构简单、易于制作；
2)工作电极材料易于更换，可制得多种离子传感器；
3)传感器为电学量输出，通过引线引出，易于后继的电信号处理，方便与自动化系统集成；
4)可实时监测腐蚀性离子的变化趋势。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，包括：壳体、工作电极、质子膜、参比电极和参比溶液；
所述壳体的上端设有开口，所述壳体的开口处设置所述工作电极和所述质子膜，所述工作电极的下表面与所述质子膜相接触，所述质子膜与所述壳体之间具有一个密闭容纳空间，所述密闭容纳空间内设置所述参比电极且所述密闭容纳空间内充满参比溶液，所述工作电极为环片状，所述工作电极暴露在空气中且所述工作电极的表面设置有目标离子敏感物质，所述工作电极通过第一引线引出所述壳体，所述参比电极为片状，所述参比电极通过第二引线引出所述壳体；所述壳体的开口处设置第一安置部，所述第一安置部为阶梯形，所述第一安置部内设置所述工作电极和所述质子膜，所述第一安置部与所述质子膜之间设置垫圈。
2.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，还包括套盖，所述套盖的上端设置第二开口，所述套盖与所述壳体通过螺纹固定连接，所述第二开口的尺寸大于所述壳体的开口的尺寸，所述第二开口与所述壳体连接的一侧设置第二安置部，所述第二安置部为阶梯形，所述第二安置部内设置垫圈。
3.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述工作电极连接第一直杆，所述第一直杆贯穿所述壳体的侧壁，所述第一引线套设在所述第一直杆内，所述参比电极连接第二直杆，所述第二直杆贯穿所述壳体的底部，所述第二引线套设在所述第二直杆内。
4.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述壳体的底部设置可拆封的密封预留孔，所述预留孔用于通入所述参比溶液。
5.根据权利要求3所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述壳体的侧壁设置第一通孔，所述第一通孔的直径与所述第一直杆的直径相匹配，所述壳体的底部设置第二通孔，所述第二通孔的直径与所述第二直杆的直径相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述壳体的开口为圆形，所述工作电极为圆环片状，所述参比电极为圆盘状。
7.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述参比电极为银或氯化银电极，所述工作电极为银或氯化银电极，所述参比溶液为饱和氯化钾溶液。
8.根据权利要求1所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述质子膜为杜邦Nafion-115质子交换膜。
9.根据权利要求7所述的一种微液膜离子浓度传感器，其特征在于，所述银或氯化银电极通过对纯银基体采用直接氯化法制得。
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107817212B (zh) |
Citations (6)
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2017
- 2017-10-31 CN CN201711049936.3A patent/CN107817212B/zh active Active
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| Title |
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