CN112614698B - 一种Pb/PbCl2固体不极化电极 - Google Patents

一种Pb/PbCl2固体不极化电极 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Pb/PbCl2固体不极化电极,包括铅丝电极芯、电解质混合物、电极壳体、电极封盖和电极帽,铅丝电极芯通过导线与电极帽相连,电解质混合物包含电解质PbCl2、惰性电解质NaCl和电解质填充物高岭土,所述电极壳体包括电极外层壳体和位于电极外层壳体中的电极内层壳体,电极内层壳体的底部加工有直径为D3的小孔,电极外层壳体和电极内层壳体内均注满电解质混合物,铅丝电极芯呈螺旋形,埋设于电极内层壳体内注满的电解质混合物中;电极外层壳体的长度L1、电极内层壳体的长度L2及直径D2需满足关系式D2>3D3,L2>L1—L2。本发明具有极差电位小、稳定性能好、制造成本低等优点,能很好地满足地物物理电磁法勘探实际工程的应用要求。

Description

一种Pb/PbCl2固体不极化电极
技术领域
本发明涉及一种Pb/PbCl2固体不极化电极,属于电极技术领域。
背景技术
电极作为常用的大地电场传感器,其性能的好坏直接决定着观测数据的精确度与可信度。在使用天然场源的接地电法勘探(如MT、AMT等)中,由于天然场源的微弱性,电极自身电位差的大小以及其电位的稳定性,对最终反演结果的准确度与可靠度起着极大的影响。而对于地电场观测,尤其是长周期大地电磁测深和地震预报方面,由于电极需要长期埋置在地下,随着时间的增长,电极内部电解质会逐渐流失,外界土壤中的杂质也会逐渐扩散到电极内部。电解质浓度的降低和杂质的进入,会导致电极内部环境发生变化,从而影响电位差的大小以及电位的稳定性。而目前已有的不极化电极并不能够很好地满足地物物理电磁法勘探实际工程的应用要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种极差电位小、稳定性能好、使用寿命长的Pb/PbCl2固体不极化电极,该固体不极化电极能够很好地满足地物物理电磁法勘探实际工程的应用要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种Pb/PbCl2固体不极化电极,包括铅丝电极芯、电解质混合物、电极壳体、电极封盖和电极帽,铅丝电极芯位于电极壳体中,并通过导线与电极帽相连,电解质混合物包含电解质PbCl2、惰性电解质NaCl和电解质填充物,所述电极壳体包括电极外层壳体和位于电极外层壳体内的电极内层壳体,电极内层壳体的底部加工有直径为D3的小孔,电极外层壳体和电极内层壳体内均注满电解质混合物,铅丝电极芯埋设于电极内层壳体内注满的电解质混合物中;电极封盖封装于电极外层壳体和电极内层壳体的顶端,电极外层壳体的长度L1、电极内层壳体的长度L2及电极内层壳体的直径D2满足关系式D2>3D3,L2>L1—L2
进一步地,所述铅丝电极芯呈螺旋形,制作时先将铅丝进行打磨,并用蒸馏水冲洗干净,再将铅丝浸泡于盐酸溶液中,取出用蒸馏水冲洗干净后在模具上绕制成螺旋形。
优选地,所述电解质填充物为高岭土。
优选地,所述电极外层壳体的长度L1为100mm,直径D1为75mm;电极内层壳体的长度L2为70mm,直径D2为38mm,电极内层壳体底部小孔的直径D3为3mm。
本发明将电极设计为内外两层结构,通过电极内层结构限制电解质向外的扩散通量,在满足D2>3D3,L2>L1—L2的情况下,该两层结构的电极的使用寿命大于同尺寸的单层结构电极,即在不改变电极长度尺寸的情况下,提升了电极长时间保持电位稳定的能力。同时本发明还通过改进电极填充物,优化电极尺寸等,使本发明电极具有极差电位小、稳定性能好、制造成本低等优点,能很好地满足地物物理电磁法勘探实际工程的应用要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的尺寸标注示意图。
图3为不同外层壳体直径的电极的电位变化曲线。
图4为不同外层壳体长度的电极的电位变化曲线。
图5为采用不同的电解质填充物高度为100mm直径为75mm电极的电位变化曲线。
图6为采用不同的电解质填充物高度为100mm直径为50mm电极的电位变化曲线。
图7为采用不同铅丝直径高度为100mm直径为75mm电极的电位变化曲线。
图8为采用不同铅丝直径高度为100mm直径为50mm电极的电位变化曲线。
图9为相同尺寸的单层电极(对比电极)与多层电极的电位变化曲线。
图中标记:1—电极外层壳体 2—电极外层电解质混合物 3—铅丝电极芯 4—电极内层壳体 5—电极内层电解质混合物 6—小孔 7—电极封盖
具体实施方式
如图1、图2所示,本实施例提供的Pb/PbCl2固体不极化电极包括电极外层壳体1、电极外层电解质填充物2、铅丝电极芯3、电极内层壳体4、电极内层电解质填充物5、电极封盖7和电极帽,电极内层壳体4位于电极外层壳体1中,且电极内层壳体4的底部加工有直径为D3的小孔6,电极外层壳体1的长度L1、电极内层壳体的长度L2及电极内层壳体的直径 D2满足关系式D2>3D3,L2>L1—L2
所述电极内层壳体4内注满电极内层电解质混合物5,电极内层壳体1 与电极内层壳体4之间注满电极外层电解质混合物2,电极内层电解质混合物5和电极外层电解质混合物2为相同成分的电解质混合物,均包括电解质PbCl2、惰性电解质NaCl和电解质填充物高岭土。铅丝电极芯3埋设于电极内层壳体内4注满的电极内层电解质填充物5中,并通过导线与电极帽相连,电极封盖7封装于电极外层壳体1和电极内层壳体4的顶端。
所述铅丝电极芯3呈螺旋形,制作时先将铅丝进行打磨,并用蒸馏水冲洗干净,再将铅丝浸泡于盐酸溶液中,取出用蒸馏水冲洗干净后在模具上绕制成螺旋形。打磨可以去除铅丝表面杂质和部分氧化层,并且可以形成粗糙面,增大铅丝真实表面积。酸洗可以去除表面残留的氧化层,并且在铅丝表面形成一层氯化铅薄膜,防止铅丝在空气中再次氧化,提高电极的稳定性能。
本实施例中,Pb/PbCl2固体不极化电极所采用的电极外层壳体1的长度L1为100mm,直径D1为75mm;电极内层壳体4的长度L2为70mm,直径D2为38mm,电极内层壳体底部小孔的直径D3为3mm。采用上述结构的固体不极化电极其性能和实用性能更好地满足地物物理电磁法勘探实际工程的应用要求,下面通过图2~图7进行说明。
图3为采用不同外层壳体直径的电极的电位变化曲线图。试验电极采用PVC管作为外壳壳体材料,在保证其他电极参数一致的情况下设置了三组不同的直径(90mm、75mm、50mm)作为变量。在测试中模拟野外真实使用情况,将各组电极埋入土中,通过对比各对电极间电极电位达到稳定的时间来判断电极壳体直径对电极性能的影响。对比实验结果如图3所示,从图3可以看出,直径大的电极能快速达到电位稳定,并拥有较小的接触电位。这是因为直径越大的电极,扩散作用越明显,能快速与外部环境达到离子平衡,减小接触电位。
图4为采用不同外层壳体长度的电极的电位变化曲线图。试验电极采用PVC管作为外壳壳体材料,在保证其他电极参数一致的情况下,设置了两组相差较大的高度(200mm、100mm)作为变量,以更明显的展现实验结果。对比实验结果如图4所示,从图4可以看出,长度大的电极其电位稳定性更好。
通过上述两个实验可以发现,外层壳体直径以及长度越大,其性能更佳。但在现实生产使用中,体积过大、重量过重的电极,会增加工作人员的野外负担,降低生产效率。考虑到电极的实用性,因此采用直径为75mm,长度为100mm的壳体尺寸制作电极。
图5、图6为两种尺寸的电极采用两种电解质填充物的电极的电位变化曲线图。在其他参数相同的情况下,分别使用高岭土和石膏作为电解质填充物,制作两组电极。通过观测两组电极的电位变化,判断电解质填充物对电极性能的影响。比较两种尺寸电极的测试结果可以看出,使用高岭土为电解质填充物的电极的电位稳定性,明显高于使用石膏的电极。
图7、图8为两种尺寸的电极采用不同铅丝直径的电极的电位变化曲线图。实验针对金属铅表面积设置对比实验,在其他参数相同的情况下,分别使用质量相同的两种不同直径的铅丝(4.7mm、3.2mm)作为电极内金属铅,制作两组电极,具体参数如表1所示。
表1两组电极中金属铅参数
直径(mm) 长度(mm) 体积(mm<sup>3</sup>) 表面积(mm<sup>2</sup>) 形状
4.70 185.42 3216.99 2737.82 螺旋形
3.20 400.00 3216.99 4021.24 螺旋形
比较两种尺寸电极的测试结果可以看出,表面积较大的细铅丝电极电位波动小,曲线较为平稳,电极更加稳定。当金属铅的质量相同时,螺旋形状的表面积明显大于楔形,同时工艺特性上,螺旋形铅丝与电解质混合物的贴合更为紧密,不易脱落。因此采用直径较小的螺旋形铅丝来制备电极。
本发明在不改变电极与外界接触面的情况下,通过电极内层结构限制电解质向外的扩散通量,延长了电极内电解质保持饱和状态的时间,从而在不改变电极长度尺寸的情况下,提升了电极长时间保持电位稳定的能力。下面通过图9和表2进行说明。
图9为相同尺寸的单层电极(对比电极)与多层电极的电位变化曲线。从图中可以观察到,对比电极在前288h电位差整体呈增大趋势,288h之后电位差值开始逐步变小。多层固体不极化电极,在前144h电极电位差波动较小,144h之后波动幅度开始增大,而多层固体不极化电极的电位差在整个测试中整体呈下降趋势。为更加直观方便的对比两个电极的长周期电位稳定性能,对观测数据进行处理,计算两个电极在54天中电位的波动范围,计算结果如表2所示。
表2电极的长周期电位稳定性观测数据
Figure GDA0002927701980000061
结合表2进行分析可以发现,在54天的电位观测中,对比电极的电位差稳定在1.10mV附近,上下浮动不超过1.34mV。多层固体不极化电极的电位差稳定在0.33mV附近,上下浮动不超过0.39mV。从分析结果上看,多层固体不极化电极的长周期电位稳定性能均好于对比电极(单层电极)。而在整个长周期电位观察中,多层固体不极化电极的电位差值均小于对比电极(单层电极)。
以上所述仅是本发明优选的实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种Pb/PbCl2固体不极化电极,包括铅丝电极芯、电解质混合物、电极壳体、电极封盖和电极帽,铅丝电极芯位于电极壳体中,并通过导线与电极帽相连,电解质混合物包含电解质PbCl2、惰性电解质NaCl和电解质填充物,其特征在于:所述电极壳体包括电极外层壳体和位于电极外层壳体内的电极内层壳体,电极内层壳体的底部加工有直径为D3的小孔,电极外层壳体和电极内层壳体内均注满电解质混合物,铅丝电极芯埋设于电极内层壳体内注满的电解质混合物中;电极封盖封装于电极外层壳体和电极内层壳体的顶端,电极外层壳体的长度L1、电极内层壳体的长度L2及电极内层壳体的直径D2需满足关系式D2>3D3,L2>L1—L2
2.根据权利要求1所述的Pb/PbCl2固体不极化电极,其特征在于:所述铅丝电极芯呈螺旋形,制作时先将铅丝进行打磨,并用蒸馏水冲洗干净,再将铅丝浸泡于盐酸溶液中,取出用蒸馏水冲洗干净后在模具上绕制成螺旋形。
3.根据权利要求1或2所述的Pb/PbCl2固体不极化电极,其特征在于:所述电解质填充物为高岭土。
4.根据权利要求3所述的Pb/PbCl2固体不极化电极,其特征在于:所述电极外层壳体的长度L1为100mm,直径D1为75mm;电极内层壳体的长度L2为70mm,直径D2为38mm,电极内层壳体底部小孔的直径D3为3mm。
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