一种不极化电极的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种不极化电极，属于微弱电磁波信号测量【技术领域】，广泛用于电法勘探、水文勘探、工业生产、环境监测以及地震前兆观察等。包括电极线、电极芯和多孔渗透柱；腔体的中部为容纳电解质的与多孔渗透柱联通的腔室；所述的电极芯的部分或全部位于电解质中，电极线与电极芯相连；所述的多孔渗透柱分布多个与腔体的腔室联通的渗透通孔，该渗透通孔的数量和孔径以腔体内的电解质渗透速度计。本实用新型的优点主要是：结构简单，使用和携带方便，电极与被测物如土壤，接触可靠，电极极差稳定，电解质补充方便，可长期循环使用，提高了电极的测量精度、测量的空间分辨率及测量效率，特别适合多种土壤岩性结构的地质测量。
【专利说明】一种不极化电极
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种不极化电极，属于微弱电磁波信号测量领域，广泛用于电法勘探、水文勘探、工业生产、环境监测以及地震前兆观察等，也可用于工业过程，腐蚀防护，环境监测的参比电极，特别适用于大地、海洋的地质勘探。
【背景技术】
[0002]低极化电极是地球电场信息测量系统中的关键组成部件，广泛应用于地震前兆观察、地球物理电法勘探、石油勘探、水文勘探以及大地地磁探测等领域。现有的电极主要包括普通金属电极、液体不极化电极和固体不极化电极。
[0003]普通金属电极采用惰性较高的杆状铜电极或铁电极，这种电极野外施工方便，效率高，不需要维护，因此使用最为普遍。但由于金属直接与大地接触，表面可能发生电化学反应，如腐蚀。这类电极的电极电位受很多因素影响，如酸碱度、温度、湿度等，因此电极之间的极差大而且不稳定，不适用采集微弱的小信号。
[0004]液体不极化电极将金属电极埋没在饱和的金属盐溶液的电极罐中，金属盐溶液通过电极罐底部的渗透性材料与大地接触，保证电极和电解质的界面的稳定，从而提高电极的稳定性。但这类电极也存在两个缺点:(1)由于盐溶液的渗漏，需要不时补充金属盐溶液，因此这种电极维护较为困难，而且容易对环境造成污染；(2)由于液体不极化电极只通过底部的渗透性材料与大地接触，实际野外工作需要预先挖出电极坑，并要求电极埋没在湿土中，通常还要浇水，保证电极与土壤的密切接触，因此施工较为不便。挖坑埋没的电极由于对电极接地点地表改变较大，再加上浇水后水渗透等因素的影响，造成电极接地点的电位长时间不稳定，造成电极间极差不稳定，从而影响电法勘探数据采集的质量。
[0005]固体不极化电极与液体不极化电极原理一样，只是固体不极化电极通过含有金属盐的固体介质与大地接触。CN200962458Y公布了一种“固体不极化电极”，由电极输出线、热缩管、铅棒及PVC管体组成，采用固体电解质替代原有的液体电解质，在保证测量精度的同时降低了维护成本，提高了使用寿命并且携带方便。但同样需要挖坑埋没电极，野外施工不方便。铅棒对环境有一定程度的污染，而且铅棒电极不是最好的不极化电极材料。CN2755629Y公布了一种“杆状不极化电极”，骨架的下部外侧通过硫酸铜与石膏的糊状物固结铜电极，糊状物凝固成型后形成固定不极化电极。该固体不极化电极使用时更加方便，从而提高了施工效率和测量精度。由于是固体电解质，无法保证电极芯与大地构成良好离子导电通道，在一定程度上影响电极的精度和寿命；由于固体电解质没有外部壳体进行保护，地面杂草和杂乱碎石会对固体电解质造成破坏，降低电极的使用寿命。此外这类固体电极采用的固体电解质，较液体电解质，制作工艺复杂。
[0006]现有不极化电极电极底部一般为平面结构，仅靠电极底部平面与土壤接触，对埋没点附近的土壤结构要求较高，很容易因为土壤岩性结构不理想(如富含砂砾石等)，以及埋没方法的不当造成接触不良，也会产生极差不稳定，对测量数据产生较大影响。为解决上述问题，CN201804124U公布了一种不极化电极，该电极由极棒、电解质和电极罐组成，电极罐为圆柱体形，电极罐下端形状为锥形，锥形电极罐内灌注电解质(氯化铅、氯化钠或石膏加水配制而成)，锥形电极罐壁上均匀分布有孔。该电极能将电极直接插入地下，减少了挖坑埋没环节，施工方便；由于电极采用锥形结构，使锥形电极罐与大地接触关系长时间稳定，外在不确定干扰因素减少，离子交换顺畅稳定。但该实用新型锥形电极罐壁上均匀分布孔，具有以下缺点:(1)电极罐壁上均匀分布有孔，就会造成孔的总面积很大，电解质渗透量大，电解质消耗快，不适合长时间测量。这种情况下如要进行长时间测量，就需要增大电极罐的电解质的容量，这样一方面造成电解质的浪费，另一方面，增大电解质的容量，也会增加整个电极的重量，不方便携带和使用。(2)如要确保能够长时间使用而又不增大电解质的容量，就必须通过减少的孔大小或孔密度来减少电解质的渗透量，与电极接触的土壤就会出现润湿不充分，离子交换不畅通。(3)由于电极罐壁上均匀分布有孔，电极不使用时，无论如何放置，电解质都会因渗透而消耗。如需减少电极不使用时渗透消耗，就必须将会电极浸泡在电解质中，电极存放比较麻烦，尤其是野外勘探中。(4)电极罐壁上均匀分布有孔，与大地接触面积大，测量信号为这些区域的平均信号，信号的空间分辨率差，无法实现高空间分辨率的精确测量，也就无法得到精确的随空间的分布信号。(5)高空间分辨率的测量往往需要采用多个电极组成的电极阵列，这种壁上均匀分布有孔的设计，与大地的接触面积大，限制了电极阵列的放置方式和放置的电极阵列的电极数量。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的在于，克服现有技术的缺陷，提供一种不极化电极，其结构简单合理，使用和携带都方便，电极和土壤接触可靠，电极极差稳定，电解质补充方便，可长期循环使用，提高了电极的测量精度、测量的空间分辨率及测量效率，适合多种土壤岩性结构的地质条件。
[0008]本实用新型技术方案是:
[0009]一种不极化电极，包括电极线、腔体、电极芯、电解质和多孔渗透柱；所述的多孔渗透柱上端与腔体的下端固定连接，下端为与工作面接触的工作端；所述的腔体的中部为容纳电解质的与多孔渗透柱联通的腔室；所述的电极芯的部分或全部位于电解质中，电极线与电极芯相连；所述的多孔渗透柱分布多个与腔体的腔室联通的渗透通孔，该渗透通孔的数量和孔径以腔体内的电解质渗透速度计为0.1 μ g.mirT1 ^lOg.mirT1。
[0010]进一步的技术方案是:
[0011]所述的不极化电极，其多孔渗透柱为锥形；或多孔渗透柱上端为柱体，其下端为锥形。
[0012]所述的不极化电极，其多孔渗透柱的电解质进入端有连接头，该连接头压入腔体端面上的安装孔中，与腔体构成紧密压配合的固定连接。
[0013]所述的不极化电极，其多孔渗透柱与腔体为粘结的密封固定连接，或是可拆卸的密封固定连接。
[0014]所述的不极化电极,其电解质渗透速度为I μ g.min.0lg.mirT1。
[0015]所述的不极化电极，其多孔渗透柱套有保护帽。
[0016]所述的不极化电极，与电极芯相连的电极线一端从腔体的外壁穿出与外电路相连。
[0017]所述的不极化电极，其电极芯为I?3个。
[0018]所述的不极化电极，其电极芯有4?8个。
[0019]所述的不极化电极，其腔体外壁设有可观察电解质高度的指示窗，该指示窗旁设有指示刻度。
[0020]所述的不极化电极，其腔体上端设有便携提手。
[0021]所述的不极化电极，其腔体为非金属材料制成；所述的电极芯材料为银/氯化银；所述的电解质为含有氯化钠、或/和氯化钾组成的导电液体或凝胶；所述的多孔渗透柱材料是多孔陶瓷，或多孔塑料，或多孔无机复合材料。
[0022]本实用新型的优点是:
[0023](I)本实用新型不极化电极，结构简单，多孔渗透柱提供了可靠稳定的电解液渗出，保证了电极和大地的离子通道。而且锥形的多孔渗透柱的机械强度大，可以直接插入土壤，顶端可以重物敲击，避免了挖坑埋没、浇水等步骤，施工方便、简单。接触可靠，可长时间连续测量，电极采用银/氯化银电极，电极间的极差小且稳定，电极接地点地表改变较小，无浇水后水渗透等因素的影响，电极接地点的电位长时间稳定，从而保证了电法勘探数据采集的质量。
[0024](2)本实用新型提供的不极化电极，采用腔体的腔室密封电解质，电解质经多孔渗透柱的渗透作用，保持了工作面表面的润湿状态，保持与外界的离子交换畅通稳定，电极的极差小。此外补充电解质时，只需将多孔渗透柱浸泡在电解质溶液中，通过毛细虹吸作用自动补充电解质，方便简单。通过补充电解质，电极可以长期循环使用。与锥形电极罐壁上均匀分布有孔的结构相比，相同时间内电解质的渗透量小，工作时间窗口长，适合长时间测量；消耗的电解质较小，节约电电解质的用量，减轻了电极的重量，轻巧便于携带，不污染环境。由于锥形多孔渗透柱与土壤的接触面积小，方便与多个电极组成电极阵列，测量信号的空间分辨率高，可得到精确的随空间的分布信号信息。仅锥体上有渗透通孔，形成尖端信号，受杂信号干扰小，信号强度大。
[0025](3)本实用新型提供的不极化电极，电极不使用时可通过倒放或在多孔渗透柱套上保护帽，而不必浸泡在电解质中，大大降低了电极因渗透造成的电解质消耗，同时由于存放过程无需浸泡，存放简单方便。壁上均匀分布有孔的电极罐结构，电极无论怎样摆放，都会出现电解质的渗透，不使用时必须浸泡在电解质中，电极存放比较麻烦。
[0026](4)本实用新型提供的不极化电极，设有多个电极芯，一方面检查全部测量结果后可以排除故障或不稳定的电极，另一方面可以短接几个工作正常的电极获得提高电极面积的效果，提高信噪比。此外如果测量过程某个电极芯不能正常工作，不必进行重新测量。夕卜壁设有便携提手，方便携带。外壁具有观察内腔内电解质的指示窗，指示窗一侧有指示刻度，方便每次使用前检查电解质的深度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是不极化电极的结构示意图；图中:多孔渗透柱以电解质进入端压入腔体端面上的安装孔中，成为紧密压配合的固定连接，电极芯全部位于电解质中，多孔渗透锥在不使用时有保护套，-电极线还套有导线保护套。
[0028]图2是锥形多孔渗透柱与腔体粘结连接示意图；
[0029]图3是锥形多孔渗透柱以电解质进入端压入腔体端面上的安装孔中，成为紧密压配合的固定连接，腔体设有便携提手的不极化电极的结构示意图。
[0030]图4是具有多个电极芯的不极化电极的结构示意图。
[0031]图5是图2的局部剖视示意图。腔体外壁设有可观察电解质储存量的指示窗，指示窗旁设有指示刻度。
[0032]图6是电极线线一端连接电极，并从腔体壁上穿出与腔体壁上的导电元件相连，通过导电元件与外电路相连。
[0033]各附图标记名称为:1 一电极线；2 —腔体；3 —电极芯；4 一电解质；5 —多孔渗透柱；6 —密封粘结剂；7 —保护帽；8 —电极线保护套；9 一便携提手；10 —指不窗；11 一指不刻度；12 —导电兀件；13 —外电路。
【具体实施方式】
[0034]结合附图对本实用新型作进一步说明如下:
[0035]实施例1:是本实用新型生物电电极的基本实施例。如图所示，一种不极化电极，包括电极线1、腔体2、电极芯3、电解质4和多孔渗透柱5 ;所述的多孔渗透柱5上端与腔体2的下端固定连接，下端为与工作面接触的工作端；所述的腔体2的中部为容纳电解质4的与多孔渗透柱5联通的腔室；所述的电极芯3的部分或全部位于电解质4中，电极线I与电极芯3相连；所述的多孔渗透柱5分布多个与腔体2的腔室联通的渗透通孔，该渗透通孔的数量和孔径以腔体2内的电解质4渗透速度计为0.1 μ g.mirT1 ^lOg.mirT1。
[0036]多孔渗透柱5的优点是:1、电解质经多孔渗透柱的渗透作用，保持了工作面表面的润湿状态，保持离子电流通道畅通稳定，电极的阻抗低、极差小；2、多孔渗透柱还可以通过毛细作用自动补充电解质，电极可以长期循环使用；3、与现有技术的整个电极罐壁上均匀分布有孔的结构相比，相同时间内电解质的渗透量小，工作时间窗口长，适合长时间测量；4、消耗的电解质较小，节约电解质的用量，减轻了电极的重量，轻巧便于携带。
[0037]实施例2:是实施例1进一步的实施例。如图所示，所述的多孔渗透柱5为锥形；多孔渗透锥5也可以为圆台锥体，圆柱部分为与腔体2连接的柱形连接头，该连接头压入腔体2端面上的安装孔中，与腔体2构成紧密压配合的固定连接。锥体部分与工作面接触面上可以设有渗透膜，这与没有渗透膜是等同的实施例。采用锥形多孔渗透柱的优点是:1、由于锥形多孔渗透柱与被测介质，如土壤的接触面积小，方便与多个电极组成电极阵列，测量信号的空间分辨率高，可得到精确的信号随空间的分布信息；2、锥形多孔渗透柱可以直接插入土壤，避免了挖坑埋没、浇水等步骤，施工方便，电极接地点地表改变较小，无浇水后水渗透等因素的影响，电极接地点的电位长时间稳定，从而保证了电法勘探数据采集的质量；
3、锥形多孔渗透柱仅锥体上有渗透通孔，形成尖端信号，受杂信号干扰小，信号强度大。如图2所示，多孔渗透柱5与腔体2的连接是通过密封粘结剂6的粘结连接，这是一种不同的实施例。当多孔渗透柱柱5与腔体2为可拆卸的密封固定连接，则是又一个实施例，其优点是多孔渗透柱5可以更换，便于使用、维护和节约设备成本。渗透速度为0.1 μ g.mirT1^lOg.mirT1是通过实测，优选为lug.mirT1、.0lg.mirT1。多孔渗透柱5的渗透速度由多孔渗透柱的孔径大小，孔数量及孔的密度决定。当渗透速度大于1g.min—1，电解质渗透太快，电极工作窗口短，不太适合长时间测量8h以上。这种情况下如要满足长时间测量的要求，就需要定期补充电解质或加大电解质的容量。加大电解质的容量，必定会增加腔体的体积和重量，造成电极笨重，不方便携带，也会造成电解质的浪费。当渗透速率小于
0.1 μ g.mirT1,电解质无法充分润多孔渗透柱周边的土壤，电极芯与周边的土壤无法建立畅通稳定的离子交换，阻抗大，电极极差大。当多孔渗透柱5的渗透速度为0.1 μ g.mirT1^lOg.mirT1，既能保证电解质充分润湿周边的土壤，与周边土壤接触良好，又能避免渗透过快造成设备的笨重和电解质的浪费，电极的工作窗口也比较长。如图1所示，多孔渗透柱5套有保护帽7，其效果是:电极不使用时可通过倒放或在多孔渗透柱5套上保护帽7，而不必浸泡在电解质中，大大降低了电极因渗透造成的电解质消耗，同时由于存放过程无需浸泡，存放方便、简单。而壁上均匀分布有孔的电极罐结构，电极无论怎样摆放，都会出现电解质的渗透，不使用时必须浸泡在电解质中，电极存放比较麻烦。电极使用时取下保护帽即可，由于腔内的电解质一直与电极接触，电极插入后电位就能快速平衡。与电极芯3相连的电极线I 一端从腔体2的外壁穿出与外电路13相连，电极线套有电极线保护套8。或者所述的电极线与腔体壁上的导电元件12相连，通过导电元件12与外电路13相连。导电元件8可以是插孔、插座、接线柱。导线从腔体壁上穿出，不影响施工时因敲打损坏电极线。若从顶端穿出，施工时则不能在顶端敲打。如图1、2、3、6所示，电极芯3为I个；如图4所示，电极芯3为3个，则是又一实施例，还可以是4?8个；多个电极芯优点是:一方面检查全部测量结果后可以排除故障或不稳定的电极，另一方面可以短接几个工作正常的电极获得提高电极面积的效果，提高信噪比。如图5所示腔体2外壁设有可观察电解质高度的指示窗10，该指示窗旁设有指示刻度11，使用之前可以观察电解质的高度，判断是否需要补充电解质。为了方便观察，电解质还可以添加颜料、染料。如图3所示，腔体2上端设有便携提手9，所述的便携提手9材料可以是绳索、金属，携带时可以向上提，浸泡在溶液中靠毛细虹吸作用补充溶液时，可以挂在固定架上。在施工时，便携提手可以向下，不影响腔体上端面敲击。便携提手可以两侧各有一个。腔体2为非金属材料制成；所述的电极芯3材料为银/氯化银，优选银/氯化银粉末电极；所述的电解质4为含有氯化钠、或/和氯化钾组成的导电液体或凝胶；所述的多孔渗透柱5材料是多孔陶瓷，或多孔塑料，或多孔无机复合材料，还可以选多孔聚乙烯。
[0038]本实用新型的权利要求保护范围不限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种不极化电极，其特征在于:包括电极线(I)、腔体(2)、电极芯(3)、电解质(4)和多孔渗透柱(5);所述的多孔渗透柱(5)上端与腔体(2)的下端固定连接，下端为与工作面接触的工作端；所述的腔体(2)的中部为容纳电解质(4)的与多孔渗透柱(5)联通的腔室；所述的电极芯(3)的部分或全部位于电解质(4)中，电极线(I)与电极芯(3)相连；所述的多孔渗透柱(5)分布多个与腔体(2)的腔室联通的渗透通孔，该渗透通孔的数量和孔径以腔体(2)内的电解质(4)渗透速度计为0.1 μ g.mirT1 ^lOg.mirT1。
2.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的多孔渗透柱(5)为锥形；或多孔渗透柱(5)上端为柱体，其下端为锥形。
3.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的多孔渗透柱-(5)的电解质进入端有连接头，该连接头压入腔体(2 )端面上的安装孔中，与腔体(2 )构成紧密压配合的固定连接。
4.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的多孔渗透柱(5)与腔体(2)为粘结的密封固定连接，或是可拆卸的密封固定连接。
5.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的电解质(4)渗透速度为I μ g.mirT1 ?0.0lg.mirT1。
6.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的多孔渗透柱(5)套有保护帽(7)。
7.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，与电极芯(3)相连的电极线(I)一端从腔体(2)的外壁穿出与外电路(13)相连。
8.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的电极芯(3)为I?3个。
9.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的电极芯(3)有4?8个。
10.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的腔体(2)外壁设有可观察电解质高度的指示窗(10)，该指示窗旁设有指示刻度(11 )。
11.根据权利要求1所述的不极化电极，其特征在于，所述的腔体(2)上端设有便携提手(9)。
12.根据权利要求1至10任意一个权利要求所述的不极化电极，其特征在于，所述的腔体(2)为非金属材料制成；所述的电极芯(3)材料为银/氯化银；所述的电解质(4)为含有氯化钠、或/和氯化钾组成的导电液体或凝胶；所述的多孔渗透柱(5)材料是多孔陶瓷，或多孔塑料，或多孔无机复合材料。
【文档编号】G01V3/00GK204142965SQ201420446530
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】樊安生, 李广利, 段晏文 申请人:苏州格林泰克科技有限公司