3.4.3. Микроэлектродные датчики
Датчики этого типа применяются в океанологических исследованиях с конца 80-х годов. Они имеет меньшие размеры электродов и мембраны. Однако при этом появляются и отрицательные факторы. Микроэлектродные датчики первоначально были созданы для биологических исследований - оценки концентрации кислорода в крови. Их часто именуют “Clark-type oxygen miсrоelсtrоdе”. Первоначально в них использовали полярографический метод измерения и соответствующие материалы для электродов и электролита. Конструкция типичного микроэлектродного датчика представлена на рис. 3.31 (пропорции изменены сжатием в длину).
Рис. 3.31. Устройство типичного микроэлектродного электрохимического датчика: 1 - внешняя оболочка; 2 - внутренняя оболочка; 3 - катод (рабочий); 4 – анод; 5 - катод (дополнительный); 6 - электролит; 7 - мембрана; 8 - пробка; 9 - наконечник
Датчик представляет собой две стеклянные трубки, сужающиеся концы которых внешне напоминают пипетку, причем одна из них вложена в другую. Во внутренней находится платиновая проволока, конец которой выступает из носика пипетки и служит катодом. В некоторых случаях этот катод покрывается золотом, а носик пипетки выполняется из специального стекла. Это зеленое известково-натриевое стекло не содержит свинца, имеет высокое электрическое сопротивление, повышенную стойкость к электролиту, а также отличается низкой температурой плавления.
Внутренняя полость между обеими трубками заполнена электролитом, состав которого не отличается от используемых в обычных полярографических датчиках. В электролит погружена серебряная проволока, играющая роль анода. Иногда применяется также хлорсеребряный анод, припаянный к серебряной проволоке.
На конце носика внешней пипетки находится мембрана из резиноподобного силикона. Этот силикон обладает полупроницаемыми свойствами и пропускает кислород подобно полиэтилену или тефлону. Быстродействие датчика сильно зависит от толщины мембраны. Например, микроэлектродный полярографический датчик с толщиной мембраны 3 мкм имел постоянную времени 0,13 с.
Фирма РМЕ (Precision Measurement Engineering, CIIIA) выпускает датчик типа 5129 Fast Dissolved Oxygen sensor, который выполнен в виде конструкции типичной для микроэлектродных датчиков. Диаметр внешней стеклянной пипетки около 4 мм, носика с мембраной - 60 мкм, а самой мембраны - 25 мкм. Напряжение поляризации 0,69 В. Быстродействие 200 мс. Однако микроэлектродные датчики имеют непродолжительный срок службы и низкую стабильность своих характеристик.
Фирма АМТ GmbН разработала гальванический микродатчик для определения растворенного кислорода in situ и предназначенный для работы в составе зондирующей аппаратуры или буксируемых устройств. По сравнению с другими известными кислородными датчиками микроэлектродный гальванический датчик, имеет очень высокое быстродействие, и возможность его использования до глубин порядка 6000 м.
Преимущества технологии микродатчика заключаются в том, что из-за его малого размера в конструкции используются электроды с диаметром менее чем 25 мкм.
В результате быстродействие датчика при 90%-ной реакции достигает 200 мс. Диапазон измерения составляет от 0 до 150 % растворимости кислорода, точность 2 %, а разрешение не хуже 0,1 % в диапазоне температур от 0 до 30 С. Среднее время наработки составляет около 1800 ч, но не более 9 месяцев. При контакте с растворённым в воде сероводородом, Н2S, ухудшается точность измерения растворённого кислорода и сокращается срок его эксплуатации.
Модуль измерения кислорода на основе этого датчика, выполненный в титановом корпусе, имеет длину 248 мм при диаметре 22 мм (рис. 3.32). С одного торца расположено ограждение чувствительного элемента микроэлектродного датчика, с другой стороны - 4-контактный герморазъём. Выходной сигнал 0-5 В, напряжение питания 9-30 В.
Рис. 3.32. Внешний вид модуля с гальваническим микроэлектродным датчиком фирмы АМТ GmbН
На основе вышеописанного датчика фирмой АМТ выпускается датчик для измерения сероводорода, имеющий аналогичную конструкцию и внешний вид. Различия заключаются в выборе материала для электродов и электролита.