Устройство для определения концентрации растворенного вещества

 

Изобретение относится к анализу жидкостей и может быть использовано для контроля концентрации вещества, растворенного в различных жидкостях, например неполярных полимеров в морской воде. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов. Устройство имеет эталонный и измерительный каналы. Погрешности измерения компенсируются подбором материалов конструктивных элементов каналов по коэффициентам линейного расширения и модулю Юнга. Эталонный канал герметично отделен от исследуемой среды плоскогофрированным сильфоном. Устройство имеет возможности изменять положение отражателя (длину каналов) в зависимости от условий измерения. 1 ил.;

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/02

ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

CCP)

АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ @ЙФ п

Ц д .р,;, . Я

¹4 (54)

КОН

ЩЕ (57) кост кост и мо кон р азл ных звестно устройство для определения кон нтрации растворенного вещества, содер ащее эталонный и измерительный канал измерительный канал Bûполнен про чным для исследуемого раствора, эталонный канал погружен в исследуемый раствор и герметично отделен от него под ижным элементом цилиндрической форМы и заполнен эталонной средой, воспI (21) (22) (46) (71) тет (72) .(56)

M.Â. ские

168—

ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

849778/28

0.07.90

7,02.93. Бюл. № 5 онецкий государственный универси,П. Клопенко антере В.М., Казаков А.B. и Кулаков

Потенциометрические и титрометричеприборы. M.: Машиностроение, 1969, с, 69. вторское свидетельство СССР

7608, кл. G 01 N 29/02, 1972.

СТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО BETBA зобретение относится к анализу жидй и может быть использовано для конзобретение относится к анализу жидй с помощью акустических колебаний ет быть использовано для контроля ентрации веществ, растворенных в чных жидкостях, например неполяролимеров в морской воде. Ы,„, 1793363 А1

2 троля концентрации вещества, растворенного в различных жидкостях, например неполярных полимеров в морской йоде. Цель изобретения — повышение точности измере-.. ний за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов.

Устройство имеет эталонный и измерительный каналы. Погрешности измерения компенсируются подбором материалов . конструктивных элементов каналов по коэффициентам линейного расширения и модулю Юнга. Эталонный канал герметично отделен от исследуемой среды плоскогофрированным сильфоном. Устройство имеет возможности изменять положение отражателя (длину каналов) в зависимости от усло-, вий измерения. 1 ил.

1 I и, 4 ринимающей давление в исследуемом рас-. творе через подвижный элемент. 4 .

Недостатками этого устройства являют- 4 ся необходимость измерять температуру и 0 давление исследуемого раствора, необхо-; (h) димость использования при вычислении концентрации сложных эмпирических зави-.симостей, невозможность измерений с за-.. данной точностью при наличии в измеряемой среде дисперсной фазы, забивающей поры мембран, большая чувствительность к фоновым загрязнениям растворителя или растворяемого вещества, существенное изменение чувствительности в различных по химическому составу рабочих и эталонных средах, что ограничивает

1793363 применение устройства в системах автоматического управления и контроля, быстрое отравление чувствительного элемента измерителя даже следами некоторых веществ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство определения концентрации растворенного вещества, содер>кащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем, эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и отражателем, и герметично отделен от контролируемой среды, электронный блок генерации и измерения.

Недостатками известного устройства являются низкая точность, обусловленная отсутствием термобарокомпенсации акустических баз опорного и измерительного каналов и применением электроакустических преобразователей, работающих в разных режимах: в опорном канале в режиме обратимого электроакустического преобразователя, в измерительном — один в режиме излучения, а другой — в режиме приема, что обуславливает разные величины паразитных задержек в электронных цепях устройств, при этом электронный блок устройства суммирует паразитные задержки, так как электроакустические кольца соединены последовательно; отсутствие возможности менять величийы акустических баз обоих каналов в зависимости от скоростей звука в контролируемых и эталонных средах, что существенно ограничивает область применения устройства; также отсутствие возможности использования в качестве среды сравнения используемых в момент измерения компонентов контролируемых жидкостей, например, тех частей растворов, которые используются в качестве растворителя, что создает трудности при изготовлении эталонных сред; в устройстве не уравниваются давление жидкостей в обоих каналах, так как сильфон опорного канала жестко закреплен и не имеет хода вдОль своей оси, поэтому он уравнивает только температуры жидкостей, при этом термокомпенсирующий сильфон, соединяющий внутренние полости обоих каналов, не охватывает весь объем термостатируемой жид. кости, при этом обмен контролируемой жидкости, протекающей через измерительный канал, осуществляется с намного меньшей скоростью, чем вне устройства, что приводит к погрешности измерений, величина которой прямо пропорциональна скорости потока контролируемой жидкости, так

KBK при изменении температуры контролируемой жидкости вне измерительного канала баланс температуры вне и внутри

5 измерительного канала наступает с задержкой по времени, что вызывает увеличение погрешности устройства.

Цель изобретения — повышение точности за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием температуры и гидростатического давления, Это достигается тем, что в известное устройство введены первое основание, установленное параллельно ему с возможностью перемещения второе основание, на торцах которого установлены отражатели, и фиксирующая перемещаемая опора, электроакустические преобразователи установлены на первом основании на

20 противоположных его концах соосно второму основанию, сильфон выполнен плоскогофрированным, эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и второго основания выбраны из соотношения a) Š—— аг Ег, гдей и аг — температурные коэффициенты линейного расширения;

А< и Е2 — модули 10нга материалов первого и второго оснований соответственно. Предлагаемое устройство изображено на чертеже, где показан его продольный разрез.

Устройство состоит из первого обратимого электроакустического преобразовате35 ля 1, прилегающего к внутренней поверхности первого протектора 2, ограни. чивающего с одной стороны акустическую базу 3 эталонного канала, плоскогофрированный сильфон 4 из теплопроводного ма40 териала, образующий герметичный объем эталонного канала, ограниченный с торцов первым протектором 2 и торцом второго основания 6 с отражателями 5 и 9, соединенного фиксирующей опорой 7 с первым основанием 8, на котором закреплен с одной стороны первый протектор 2. Рабочий объем измерительного канала ограничен вторым торцом отражателя 9 с одной стороны, а с другой — вторым протектором 10, згкреп50 ленным на другом конце первого основания

8. К внутренней поверхности протектора 10 прилегает второй обратимый электроакустический преобразователь 11. Первый и второй обратимые электроакустические

55 преобразователи 1 и 11 размещены в герметичных корпусах 12 и 13 и электрически соединены с электронным блоком 14, размещенным в герметичном корпусе 15.

1793363 зом

15

Т=Тз+, с, 2L с

Устройство работает следующим обраЭталонный канал заполняется растворителем, используемым для приготовления исследуемого раствора, в который погруженб устройство.

Первый обратимый электроакустический преобразователь 1 излучает под воздействием электрического импульса, генерируемого эталонным блоком 14, ультразвуковой зондирующий импульс, проходит термобарокомпенсированную акустическую базу 3 эталонного канала, заполненного растворителем, отражается торцом 5 основания 6 и возвращается, и ойдя через акустически прозрачный протектор 2, на обратимый электроакустичеcK èé преобразователь 1, вырабатывающий пбд воздействием ультразвукового зондирующего импульса электрический сигнал, у равляющий запуском возбуждающего и рвый обратимый электроакустический и еобразователь 1 — образуется электроа устическое кольцо, частота следования импульсов которого зависит от параметров с таяния измеряемой жидкости — температ ы, давления, концентрации растворенн х веществ, В этом случае время одного ц кла Т составляет

r е T3 — паразитные задержки в электронн м блоке и протекторе;

L — величина акустической базы, м; с — скорость звука в жидкости,м/с.

Компенсация погрешностей, вносимых в здействием температуры и гидростатичес ого давления, основана на обеспечении и стоянства длины акустической базы за счет равных температурных и барических и иращений длин компенсационных плеч, в о но из которых входит акустическая база, а аправление удлинения этих плеч против положно друг другу, как показано на фиг, 1. Рабочее расстояние между торцами проте|кторов 2 и 10 равно Н, длина цилиндрическ|ого основания 6 — h. В частном случае, когда цилиндрический отражатель 6 размещ н так, что акустические базы эталонного и абочего каналов равны, то длина акустической базы L равна разности (Н - h):2, если фйксирующая опора 7 размещена на перв1м основании 8 симметрично протекторам

2 и 10 и второму основанию 6. В общем случае

Н = Hp+ He; h = hA+ he; LA = HA- Ьд;

La=Ha-ha

Относительно оси перемещаемой фиксирующей опоры 7 температурное приращение частей первого основания 8 — Нд и На будет

ЛНд =Нд а1 . At AНв =He а1 At температурное приращение частей hp, u he второго основания 6 будет

ЛЬ =hA аг Лt: Лhe =he .аг Лt, откуда следует, что для условия постоянства длины акустических баэ д и Le обязательно условие Ы д = Л La = 0; необходимо таким образом размещать перемещаемую фиксирующую опору 7, чтобы выполнялось условие компенсации приращений длин оснований

AHA — AhA =0; AHe -Ahe =0; откуда

При измерении концентрации растворенного вещества заявляемым устройством необходимым условием его точных измерений является равенство таких параметров состояния исследуемой жидкости и эталонной, как температура и давление, Для уменьшения времени выравнивания температур в эталонном и рабочем объемах необходимо максимально увеличить площадь контакта раствора с растворителем через теплопроводный элемент, сохранив при этом способность к уравнению давлений.

Этим условиям соответствует сильфон с плоскогофрированными гофрами. Давление передается плоскими участками гофра.

При необходимости динамического способа формирования среды эталонного канала он выполняется проточным для растворителя, в котором растворяется контролируемое вещество.

Время выхода измерителя на заданную точность измерений лимитируется наибольшей длительностью уравнивания одного из вторичных параметров жидкостей эталона и исследуемого раствора — температуры и давления. Время выравнивания давлений мало и не учитывается из-за малого вклада во время выхода измерителя на заданную точность. Время выравнивания температур является лимитирующим для определения быстродействия измерителя.

В устройстве для определения концентрации растворенного вещества известны неизменные расстояния: между протекто. рами 2 и 10. равное Н; между торцами вто1793363 рого основания 6, равное h, В этом случае

Н = h - LA + Lp. Так как величину акустической базы 3 эталонного канала л невозможно измерять из-за наличия сильфона 4, после установки необходимого соотношения частот циркуляции импульсов в электроакустических синхрокольцах эталонного и рабочего каналов измеряют величину акустической базы La рабочего канала, Далее определяют место размещения перемещаемой фиксирующей опоры 7, соединяющей основания, вычисляя величину пв по установленной формуле — известны величины Н, h, Lg, а и аг, Например, при отсутствии термокомпенсации, при типовой величине акустической базы La рабочего канала, равной 0,02 м; материале первого основания 8 — стали нержавеющей 12Х18Н10Т, у которой температурный коэффициент линейного расширения а = 16,1 10 1/град, по-6 греш ность, вносимая дестабилизирующим воздействием температуры с градиентом

Л1 = 40 С, при удлинении акустической базы 3 на 2 ЛL, учитывая путь ультразвукового зондирующего импульса туда и обратно, скорости звука в исследуемом растворе.1500 м/с, частота следования ультразвуковых импульсов в электроакустическом кольце при отсутствии температурного с градиента — Л = 0 составит Р2

=37500 Гц, при воздействии температурного градиента Л t = 40 С на акустическую базу 3 — F = 2 + — 37475,9 Гц, 2 А+ д

Л F = F - Р = 24,14 Гц.

При необходимой точности определения скорости звука с, равной 0,1 м/с 2,5 Гц, погрешность, вносимая воздействием Ь t, составит Л F/2,5 = 9,6 м/с, что неприемлемо, так как на примере определения концентрации бензола в С2Н ОН, для которого зависимость скорости звука от концентрации в линейном приближении равна

К = с 6 10 + 7,74, где К вЂ” концентрации бензола в С2Н5ОН; с — скорость звука в растворе; точность измерения концентрации при с = 0,1 м/с даст величину Л К=6 10 моль/л, а погрешность определения скорости звука с Л с = 9 м/с даст величину Л К, равную 5,4 10 моль/л, что в

90 раз превышает допустимый уровень поФормула изобретения

Устройство для определения концентрации растворенного вещества, содержащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические грешности. Введение термокомпенсации приводит к уменьшению погрешности измерений. При величинах длины первого основания 8 из титанового сплава с а1 = 8,8 10

5 1/град Н = 0,08 м, длине второго основания

6 из нержавеющей стали с а2= 16,1 10

-6

1/град h = 0,04 м, при величине Lg = 0,02 м, величина пв, вычисленная по формуле, составит пв = 0,02 м, разность температурных

10 приращений Нв и йв составит 1 2 106 м. Длина акустической базы Le изменится на эту величину, что даст прирост частоты F>

1 с 1500

2 -в+ -в 2(0,02+1,2 10 6)

=37497,8 Гц, а Л F> = F - F1

=37500 - 37497,8 = 2,25 Гц. Так как прирост частоты циркуляции ультразвуковых импульсов составляет 2,8 Гц на прирост скорости звука на 0,1 м/с, а Л Fi = 2,25 Гц, то термокомпенсация акустических баз эталонного и рабочего каналов позволяет проводить измерения с заданной точностью.

Барокомпенсация акустических баз Lp, и

La осуществляется одновременно с термокомпенсацией при отношениях температурных коэффициентов линейного расширения а и модулей 1Онга Е материалов стойки 8 и отражателя 6, равных а E> = а2 Е2 .

Использование предлагаемого изобретения позволяетупростить процесс измерений концентраций растворенного вещества за счет исключения необходимости учитывать текущие значения температуры и дав35 ления, следить за постоянством состава растворителя, вычислять величины скорости распространения скоростей звука, используя только разности выходных сигналов эталонного и рабочего каналов из40 мерителей скорости звука в растворе и растворителе, при упрощении конструкции и уменьшении габаритов измерителя, использовать измеритель в системах контроля и управления, когда при номинальных пара45 метрах состояния контролируемых сред выходной сигнал измерителя должен быть постоянной величины и не зависеть от исходных величин скорости звука в контролируемых средах, а также при разных

50 исходных величинах температуры, давления, начальной концентрации и качества растворителя, каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем, эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и.отража9

1793363

Составитель С.Клопенко

Техред М,Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор .I

Заказ 501 I

Тираж Подписное !

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 телем и герметично отделен от контролируемой среды, электронный блок генерации и измерения, отл ич а ю щееся тем, что, с ц лью повышения точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воз ействием внешних факторов, в него вве ены первое основание, установленное пар ллельно ему с возможностью перемеще ия второе основание. на торцах которого у тановлены отражатели, и фиксирующая пер мещаемая опора, электроакустические преобразователи установлена на первом основании на противоположных его концах соосно с вторым основанием, сильфон выполнен плоскогофрированным, эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и второго оснований выбраны из соотношения а Е1 =ар Е2., где а1 и Q2- температурные коэффициенты линейного расширения, а Е и E2 — модули

Юнга материалов первого и второго оснований, соответственно,