CN85107581A - 双电池式氧传感器 - Google Patents

Abstract

一种双电池结构的氧传感器，可在高压气体和深水压力下测量氧或溶解氧。传感器包括一个由玻璃炭制成的测量电极和第一锌对极构成的原电池，其功能是测量氧的浓度，当外界氧分子透过透氧薄膜到达测量电极表面时，氧被还原，所输出的电流与氧浓度成正比。另一个是由透氧薄膜上的镀金膜和第二锌对极构成的原电池，其功能是消除残留在测量电极四周电解质中的氧，借以提高传感器的测量精度和缩短响应时间。

Description

本发明是一种根据电化学反应原理、具有双电池结构的氧传感器，适用于高压气体及深水压力下测定氧或溶解氧的浓度。

传统的原电池式氧传感器是由一个金或银制成的测量电极和一个由铅或镉制成的对电极组装在塑料壳体中，内充电解质溶液构成。在测量电极表面上复盖透氧薄膜，并固定密封在塑料壳体上，使传感器与外界环境隔离。但外界的氧分子仍能透过薄膜扩散至测量电极表面，使测量电极和对电极构成一个原电池。由电化学反应产生的极限电流与外界的氧浓度成正比关系。关于原电池式氧传感器的开拓性工作可参考美国专利3，510，421和3，239，444号说明书。

但是，传统的原电池式氧传感器存在着响应时间不够快，测量精度不够高的缺点。特别是在高压气体的条件下，当氧分压或氧浓度迅速改变时，上述缺点尤为显著。这是因为传感器透氧薄膜外的氧浓度与薄膜内测量电极周围电解质薄层中的氧浓度来不及达到平衡而使残留在电解质薄层中的氧分子向测量电极表面扩散所致。此外，由贵金属制成的测量电极极易受到气体或污水中有害气体如硫化氢的毒害，使测量灵敏度逐渐降低甚至不能正常工作。

本发明是一种具有双电池结构的氧传感器，可测量气体中的氧和液体中的溶解氧。特别是在高压气体条件下，这种结构能够消除传感器内部电解质薄层中残留的氧，使传感器有较快的响应时间和较高的测量精度。由于测量电极采用非金属材料，还有较好的抗毒害性能。本发明的传感器有二个直径不同、由金属锌制成的园筒状对电极，分别固定在塑料壳内壁及中间位置上。前者为第二对极，后者为第一对极。在第一对极中央的园孔中，有一个由玻璃炭制成的园柱状测量电极。塑料壳体的一端用环氧树脂密封，并分别引出测量电极和第一对极的导线，壳体的另一端为开口端。在第一对极与第二对极之间形成的空腔内装入电解质，并在传感器的开口端上复盖镀有园形金膜的透氧薄膜，用O形圈固定在塑料壳体上。薄膜中央留有未镀金膜的园形透氧窗口，其面积与测量电极的表面积相同。薄膜的镀金层面向传感器的开口端，使镀金膜与第二对极的端面相接触，构成一个原电池。薄膜的透氧窗口正对测量电极表面，使薄膜外的氧分子能够透过窗口到达测量电极表面。工作时，测量电极与第一对极构成另一个原电池。在测量电极表面与薄膜之间衬有园形镜头纸，作为电解质通道，并可防止镀金层与测量电极相接触。由测量电极和第一对极构成的原电池的功能是测量氧浓度，当外界氧分子透过薄膜的透氧窗口到达测量电极表面时，氧分子被还原，所产生的电流与氧浓度成正比关系。由薄膜的镀金膜和第二对极构成另一个原电池，其功能是消除残留在薄膜内部电解质或电解质薄层中的氧分子所造成的干扰。由于金膜边缘与第二对极的端面相接触，故金膜表面亦具有较负的电位，使残留在薄膜内部的氧分子在扩散到测量电极表面以前，即在金膜表面上还原。另外，一部份透过薄膜窗口边缘向旁扩散的氧分子也立即在金膜表面上还原消耗，以避免这部份氧分子对测量造成干扰。因此本传感器比简单的原电池式氧传感器有较高的测量精度和较快的响应时间。特别是在高压气体条件下，氧浓度变化较大时，效果尤为显著。此外，本传感器的抗有害气体毒害的性能，由于采用非金属玻璃炭测量电极，也是传统氧传感器所不具备的。

为便于更清楚地了解本发明的内容和技术特征，在阅读以下详细描述时，可参照附图。

图1，为本发明的双电池式氧传感器的剖面图。

图2，为镀金薄膜平面图。图中所标序号与图1标号一致。

参照图1，本传感器有一塑料外壳（5），两个直径不同的园筒状锌对极分别固定在壳体的中央位置和壳体的内壁上。前者为第一对极（12），后者为第二对极（10）。在两对极之间形成的空腔内注满电解质（11），为降低金属锌的自溶速率，电解质是含有氯化钾的乙二醇水溶液。在第一对极（12）的园孔中装入一个由玻璃炭制成的园柱状测量电极（8）。壳体的一端用环氧树脂（13）浇注密封。从测量电极和第一对极分别引出导线（14）。在壳体的开口端复盖镀有金膜的透氧薄膜（9），用O形圈（6）固定在壳体上。在薄膜与测量电极表面之间衬有园形镜头纸（7），作为电解质通道，并防止薄膜镀金层与测量电极相接触。

图2为镀金透氧薄膜的平面图。薄膜中央空白部份为未镀金膜的透氧窗口，面积与测量电极的表面积相同。透氧窗口的位置正对测量电极表面。工作时，外界氧分子透过窗口到达测量电极表面，测量电极与第一对极构成一个原电池，氧分子在测量电极表面还原后所产生的电流与氧浓度成正比关系。透氧薄膜的阴影部份为镀金膜，其边缘部份与第二对极的端面接触，构成另一个原电池。由于镀金膜具有较负的电位，故残留在电解质或电解质薄层中的氧分子在扩散至测量电极表面之前，已在镀金膜表面上被还原消耗。此外，从薄膜透氧窗口边缘进入膜内的部份氧分子在向四周扩散时，也可立即被还原消耗，消除了这部份氧分子在外界氧浓度骤然降低时，又重新向测量电极表面扩散所造成的干扰。因此，显著地提高了传感器的测量精度和缩短响应时间。

传感器可密封在不锈钢壳体中，以备在高压气体或深水压力下工作。参见图1（1）为不锈钢底座，（4）为不锈钢外壳，（3）为不锈钢紧固圈，（2）为橡胶衬垫。

Claims (6)

1、一种原电池式氧传感器，通常是由放置于内充电解质的壳体中的一个贵金属测量电极和一个铅对电极构成，壳体的开口端用透氧薄膜复盖，本发明的特征是传感器具有两个原电池结构：由一个非金属测量电极和第一锌对极构成测量外界试样中氧浓度的原电池；由透氧薄膜上的镀金膜和第二锌对极构成还原干扰性氧分子的另一原电池。

2、如同权利要求1所述的氧传感器，测量电极采用玻璃碳制造，锌对极均成园筒状。

3、如同权利要求1所述的氧传感器，镀金透气薄膜形状如同心园，中央未镀金部分为透氧窗口，其面积与测量电极表面积相同，其余镀金部分复盖壳体的开口端。

4、如同权利要求1所述的氧传感器，所用电解质是氯化钾、水和乙二醇的混合溶液。

5、如同权利要求1所述的氧传感器，它不但可测量气体中的氧和液体中的氧，特别适于高压气体和深水压力下氧的测量。

6、如同权利要求1所述的氧传感器，它被密封在不锈钢壳体中。