CN109001275B - 一种三电极电化学溶解氧传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及溶解氧含量检测领域，具体涉及一种三电极电化学溶解氧传感器。包括传感器的圆柱外壳、可更换的透氧膜、膜盖、设置在所述圆柱外壳腔体内的作为工作电极的金电极，作为辅助电极的银电极，作为银保护电极的铂电极，所述银电极、金电极、铂电极分别通过导线与极化电路连接；所述的圆柱外壳腔体内填充有液态反应电解液，所述电解反应液包括以下比例重量份的组分：氯化钾74.55重量份，氢氧化钾0.561重量份和水1000重量份。本发明电化学溶解氧传感器测量过程不消耗水样中的氧气，提高了检测的准确性，辅助电极采用双螺旋结构，增大了与电解液的接触面积，提高了传感器的响应速度，传感器采用三电极体系结构，不消耗电解液中的电解质，不消耗辅助电极的银，使用寿命大大提高。

Description

一种三电极电化学溶解氧传感器
技术领域
本发明涉及溶解氧含量检测领域，具体涉及一种三电极电化学溶解氧传感器。
背景技术
水体中溶解氧的浓度是评定水体污染程度的重要的指标之一。在液态环境中，若溶解氧浓度低于4mg/L时，鱼类就会因缺氧而窒息死亡，而厌氧菌却得以大量繁殖，使得水体发臭。在废水处理领域，对溶解氧浓度的监测可以提升降解废水中有害有机物的效率，降低废水处理工厂的运行成本。在医疗领域，溶解氧浓度可以反映血液中氧分子所占据的血红蛋白的结合位点的比例，因而血液中的溶解氧溶度能够用于医疗诊断。在工业生产领域，溶解氧亦是许多产品工艺的重要参数，如在啤酒生产中的糖化过程及发酵过程对溶解氧的浓度都有非常严格的要求，高压锅炉的供给水中，溶解氧的浓度过高会使锅炉炉壁遭到腐蚀，因而导致生产事故的产生。在生命科学领域，溶解氧浓度是细胞新陈代谢的一项重要生理指标。
现有的电化学溶解氧电极都存在以下技术问题：（1）检测过程中需要消耗被检水样中的氧气，造成检测结果不准确；（2）辅助电极表面发生电化学反应生成氯化银沉淀附着在电极表面，沉淀的积累会影响溶解氧传感器的稳定性；（3）电解液使用几个月就需要更换，浪费大量的人工成本；（4）辅助电极结构设计不合理导致传感器响应速度、精度、稳定性差。
发明内容
针对目前电化学溶氧传感检测技术中所存在的问题，本发明的目的是提供一种三电极电化学溶解氧传感器，此电化学溶解氧传感器检测过程中对水样中的氧气消耗极少，能保证检测的准确性，且银电极不被消耗产生氯化银沉淀，电解液不被消耗，传感器的稳定性和使用寿命大大增加，且传感器响应速度快、精度高。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种三电极电化学溶解氧传感器，包括传感器圆柱外壳、设置在传感器圆柱外壳上的螺塞、可更换透氧膜、透氧膜盖、电极基座、螺塞帽，所述电极基座和螺塞帽都为中空结构且紧密连接在一起，电极基座外侧设置有作为辅助电极的双螺旋银电极，电极基座底部嵌有作为工作电极的金电极，螺塞帽内嵌有作为银保护电极的铂电极，所述银电极、金电极、铂电极分别通过导线引出，所述传感器圆柱外壳腔体内与电极基座之间填充液态反应电解液，所述螺塞帽和圆柱外壳通过内螺纹、外螺纹旋转密封连接，所述透氧膜盖和圆柱外壳通过内螺纹、外螺纹旋转密封连接，电化学溶解氧传感器工作时，金电极和银电极之间加上0.6-0.8V的极化电压，铂电极与银电极之间加上-0.6V的保护电压。
进一步，所述银电极为双螺线管型银丝。
进一步，所述金电极是一端为帽型反应面的金质圆柱体，且下端面为凸起圆弧面。
进一步，所述液态反应电解液的比例重量份的组分为：氯化钾74.55重量份，氢氧化钾0.561重量份，水1000重量份。
更进一步，所述透氧膜材料为厚度为10μm-50μm聚全氟乙丙烯薄膜，且通过透氧膜盖和圆柱外壳旋转压紧在透氧膜盖和圆柱外壳之间。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明三电极电化学溶解氧传感器，基于作为工作电极的金电极、作为辅助电极的银电极、作为银保护电极的铂电极组合成三电极检测系统，透氧膜将被测水样与电解液隔离开，当在金电极和银电极之间提供一个0.6V-0.8V之间的恒定电压时，金电极和银电极之间将会产生一个扩散电流，扩散电流的大小与被测水样中的溶解氧浓度成正比，通过测量扩散电流大小便可知溶解氧浓度大小。由于本发明采用的银电极是双螺旋线性管型银丝，增大了辅助电极与电解液接触面积，提高了溶解氧传感器的响应速度和稳定性。
2、由于本发明采用的金电极是一端为帽型反应面的金质圆柱体且下端面为凸起圆弧面，通过实验对比，溶解氧传感器的精度及测量下限都得以提高。
3、由于本发明采用了铂电极作为银保护电极，测量过程中能保证银电极不被消耗，电解液中的电解质不被消耗，被测水样中的氧气不被消耗，提高了传感器的使用寿命，减小了传感器的测量误差、节省了经常更换电解液的人力成本。
附图说明
图1是本发明三电极溶解氧传感器的拆分结构示意图。
图2是本发明三电极溶解氧传感器外观结构图。
图中：1、圆柱外壳；2、螺塞；3、可更换透氧膜；4、透氧膜盖；5、电极基座；6、螺塞帽；7、银电极；8、金电极；9、铂电极；10、液态反应电解液；11、绝缘导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例：提供一种三电极电化学溶解氧传感器，包括传感器圆柱外壳1，此圆柱外壳1上设置有可以拆卸的螺塞2，此螺塞拆卸后的圆孔可以用来加入液态反应电解液10至圆柱外壳1腔体内，所述圆柱外壳1与透氧膜盖4通过内螺纹、外螺纹旋转紧密连接，并将可更换透氧膜3压紧在圆柱外壳1和透氧膜盖4之间，所述圆柱外壳1与螺塞帽6通过内螺纹、外螺纹旋转紧密连接，所述螺塞帽6与电极基座5都为中空结构且紧密连接在一起，所述电极基座5外侧设置有作为辅助电极的双螺旋银电极7，所述电极基座5底部嵌有作为工作电极的金电极8，所述螺塞帽6内嵌有作为银保护电极的铂电极，所述银电极7、金电极8、铂电极9分别通过绝缘导线11经过电极基座5和螺塞帽6内的中空部分引出，所述圆柱外壳1与电极基座5之间填充液态反应电解液10，所述液态电解液包括以下比例重量份的组分：氯化钾74.55重量份，氢氧化钾0.561重量份和水1000重量份，所述金电极8在传感器装配好后，与可更换透氧膜3中间部分接触。
本发明的工作原理：
本发明的三电极电化学溶解氧电极基于Clark电极法，由工作电极（金质阴极）和辅助电极（银质阳极）及银保护电极（铂质保护电极）组成，工作电极、辅助电极和银保护电极完全浸没在液态反应电解液（液态电解液包括以下比例重量份的组分：氯化钾74.55重量份，氢氧化钾0.561重量份和水1000重量份）中，当工作电极和辅助电极之间加上0.6-0.8V的极化电压时，被测水样中的氧分子会通过透氧膜，持续的扩散到液态反应电解液中，并在工作电极上被还原，同时工作电极与辅助电极间之间产生一个稳定的扩散电流。扩散电流的大小与工作电极表面反应的氧分子浓度成正比。通过测量扩散电流的大小便可知被测水样中的溶解浓度。此外，铂质银保护电极与辅助电极之间加上-0.6V的保护电压，这样在测量过程中银保护电极能保证银电极不被消耗，电解液中的电解质不被消耗，被测水样中的氧气不被消耗，提高了传感器的使用寿命，减小了传感器的测量误差、节省了经常更换电解液的人力成本。本发明提供的三电极电化学溶解氧传感器测量过程中，液态反应电解液总反应过程的化学方程式如下：
工作电极-辅助电极：O2+2H2O+4eˉ→4OHˉ
4Ag+4Clˉ→4AgCl+4eˉ
银保护电极-辅助电极：4OHˉ+4eˉ→O2+2H2O
4AgCl+4eˉ→4Ag+4Clˉ
工作电极和辅助电极之间由于电荷的移动，产生了μA级的电流，电化学溶解氧传感器通过检测电流的大小从而检测溶解氧浓度。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (5)

1.一种三电极电化学溶解氧传感器，包括传感器圆柱外壳(1)、设置在传感器圆柱外壳(1)上的螺塞(2)、可更换透氧膜(3)、透氧膜盖(4)、电极基座(5)、螺塞帽(6)，所述电极基座(5)和螺塞帽(6)都为中空结构且紧密连接在一起，电极基座(5)外侧设置有作为辅助电极的双螺旋银电极(7)，电极基座(5)底部嵌有作为工作电极的金电极(8)，螺塞帽(6)内嵌有作为银保护电极的铂电极(9)，所述银电极(7)、金电极(8)、铂电极(9)分别通过导线引出，所述传感器圆柱外壳(1)腔体内与电极基座(5)之间填充液态反应电解液(10)，所述螺塞帽(6)和圆柱外壳(1)通过内螺纹、外螺纹旋转密封连接，所述透氧膜盖(4)和圆柱外壳(1)通过内螺纹、外螺纹旋转密封连接，电化学溶解氧传感器工作时,金电极和银电极之间加上0.6-0.8V的极化电压，铂电极与银电极之间加上-0.6V的保护电压。
2.如权利要求1所述的三电极电化学溶解氧传感器，其特征是：所述银电极(7)为双螺旋线管型银丝。
3.如权利要求1所述的三电极电化学溶解氧传感器，其特征是：所述金电极(8)是一端为帽型反应面的金质圆柱体，且下端面为凸起圆弧面。
4.如权利要求1所述的三电极电化学溶解氧传感器，其特征是：所述透氧膜(3)的材料为厚度为10μm-50μm聚全氟乙丙烯薄膜，且通过透氧膜盖(4)和圆柱外壳(1)旋转压紧在透氧膜盖(4)和圆柱外壳(1)之间。
5.如权利要求1所述的三电极电化学溶解氧传感器，其特征是：所述液态反应电解液(10)的比例重量份的组分为：
氯化钾 74.55重量份，
氢氧化钾 0.561重量份，
水 1000重量份。
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