Способ определения концентрации электролита

 

Использование: аналитическое приборостроение, в частности, химическая промышленность. Сущность изобретения: способ определения концентрации электролита с помощью ячейки, включенной в цепь генератора частоты, заключается в том, что через равные промежутки времени измеряют частоту. Изменяют частоту генератора, на каждой частоте находят погрешность измерения частоты. По частоте, соответствующей минимальной погрешности, определяют концентрацию электролита. 2 ил.

Изобретение определения концентрации электролитов относится к области физико-химических исследований и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известен аналого-частотный способ определения электролитов (1) [Усиков С. В. Электрометрия жидкостей. -Л. Химия, 1974, с.95-98] заключающийся в преобразовании изменения емкости чувствительного элемента с воздухом и жидкостью в соответствующее изменение частоты и напряжения генератора и решению полученных зависимостей для определения искомой концентрации электролита.

Недостатком способа является низкие точность и оперативность, связанная с настройкой контура в резонанс недостаточно широкий диапазон измерений.

Наиболее близким является амплитудно-частотный способ определения концентрации электролита(2) [Лопатин Б. А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. -М. Химия, 1980, с.9-13] размещенного в емкостной измерительной ячейке с n звеньями резонансной частотно-задающей цепи генератора высокой частоты и подбору резонансной частоты по амплитудно-частотной характеристике, включающей измерение частоты и напряжения через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по измеряемой частоте.

Недостатком этого способа являются низкие точность и оперативность, связанные с заменой одной ячейки на другую, недостаточно широкий диапазон измерения, так как каждая ячейка работает только в своем диапазоне, большая методическая погрешность обусловленная тем, что искомые характеристики электролита хотя и находятся через частоту, но путем дополнительного преобразования амплитудно-частотной характеристики.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик электролитов в широком диапазоне концентраций.

Технический результат достигается тем, что: в способе определения концентрации электролита размещенного в измерительной ячейке, включенной в цепь генератора частоты, расчет параметров электролита по резонансной частоте, в отличие от известных решений, резонансную частоту определяют по минимому погрешности измерения частоты, по резонансной частоте расчитывают искомую концентрацию электролита.

Сущность изобретения заключается в следующем. Исследуемый раствор электролита помещается в измерительную ячейку.

Исходя из предположения о составе электролита, как совокупности положительно и отрицательно заряженных ионов можно предложить схему замещения ячейки с помещенным в нее электролитом показанную на фиг.1.

При этом возникновение емкости обусловленно, как поляризационными эффектами, так и емкостями возникающими между положительно и отрицательно заряженными ионами, как обкладками миниконденсаторов.

Индуктивность возникает как проявление кинетической энергии иона, как заряженной частицы, при движении его под действием приложенного к электродам внешнего элекромагнитного поля.

Сопротивление раствора представляет результат взаимодействия ионов между собой, препятствующее направленному движению ионов между электродами.

Таким образом комплексное сопротивление ячейки с раствором: При резонансе I_mZ О, то есть: Откуда и учитывая получаем: Определение резонансной частоты осуществляется следующим образом. На измерительную ячейку с генератора частоты подается известная программно-установленная частота. Осуществляется определение погрешности измерения частоты. Производится изменение частоты по заданному закону, например линейному и измерения повторяются для ряда частот. По наименьшей погрешности измерения частоты находится резонансная частота, по которой определяется искомая концентрация, Докажем эффективность предлагаемого решения по отношению к прототипу по точности исходя из чувствительности.

Чувствительность для предлагаемого варианта:
Для прототипа, например для ячейки RL-типа (Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. -М: Химия, 1980, с.107), выразим x через ω параметры ячейки. Из выражения (IV.49) с учетом (IV.52) имеем
αʹω⁴+βʹω²+γʹ= 0 (1)
где αʹ = R²CL³(5R²₁C+L),;
βʹ = L²[3RR₁L-R²(11R₁C+L) +5 R²₁L],;
γʹ = 6R²R²₁L
Подставив значения αʹ, βʹ, γʹ в (1) и разделив на R² получаем:

Учитывая, что и преобразовав уравнение относительно x₂, получаем:

Решая уравнение, получаем:

где
Чувствительность

Учитывая, что отношение чувствительностей есть отношение точностей, получаем выражение для определения коэффициента эффективности по точности для предлагаемого технического решения:

Подставляя данные реальных ячеек получаем при L 2 мкГн, L' 33 мГн, С 10 нФ, C' 40 пФ R 1кОм, для x 0,5 см, получаем h = 67,97, т.е. примерно на 2 порядка.

Способ апробирован на экспериментальной установке, созданной на базе микропроцессорного кондуктометра КЛ-4 "Импульс", выполненного на микропроцессорном комплекте К1801. При измерениях использовались контактные первичные преобразователи удельной электрической проводимости с платиновыми электродами.

В качестве проводящей среды использовались модельные растворы NaCI. Измерения проводились при различных частотах питания измерительной цепи в диапазоне от 5 Гц до 5 кГц.

В качестве примера на фиг.2 приведены графики зависимости относительной погрешности ε от частоты питания измерительной цепи f для различных концентраций.

Эксперимент показал, что значение концентрации может быть найдено по частоте, на которой погрешность измерения минимальна, так концентрация с 32000 мг/л определяется при частоте 470 Гц.

Таким образам, управление частотой генератора контроль погрешности измерения частоты по которой определяют резонансную частоту раствора электролита, по которой определяют концентрацию, в отличие от известных решений позволяет повысить точность определения концентрации электролитов примерно на 2 порядка.

Формула изобретения

Способ определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, включающий измерение частоты через равные промежутки времени и расчет параметров электролита по частоте, отличающийся тем, что контролируют погрешность измерения частоты, по которой определяют резонансную частоту раствора электролита, соответствующую минимальной погрешности измерения частоты, по которой определяется искомая концентрация.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2