Способ определения концентрации электролита и устройство для его осуществления

 

Использование: в области аналитического приборостроения. Сущность изобретения: способ определения концентрации электролита, размещенного в многозвенной ячейке, подключенной к выходу стабилизированного генератора высокой частоты, включает облучение ячейки электрическим сигналом, изменение конфигурации ячейки за счет последовательного включения пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях через равные промежутки времени, контроль амплитуды сигнала на выходе ячейки и идентификацию искомой концентрации электролита по коду конфигурации при достижении заданного значения амплитуды. Устройство для определения концентрации электролита содержит многозвенную ячейку 2, стабилизированный генератор 1 высокой частоты, мультиплексор 3, микропроцессор 5, компаратор 4. Выходы микропроцессора 5 соединены с адресными входами мультиплексора 3, информационные входы которого подключены к выводам многозвенной ячейки 2, вход которой подключен к выходу генератора 1 высокой частоты. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известен аналого-частотный способ определения концентрации электролитов ( 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 решении полученных зависимостей для определения искомой концентрации электролита.

Недостатком этого способа является низкая точность и оперативность, связанные с настройкой контура в резонанс, недостаточно широкий диапазон измерений.

Известен амплитудно-частотный способ определения концентрации электролита (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 подбора резонансной частоты по амплитудно-частотной характеристике, включающей измерение частоты и напряжения через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по измеряемой частоте.

Недостатком этого способа является низкая точность и оперативность, связанные с заменой одной ячейки на другую, недостаточно широкий диапазон измерений, 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 через амплитудно-частотную характеристику.

Наиболее близким является частотный способ определения концентрации электролита (см. патент РФ N2011983, G 01 N 27/02, 1994, бюл. N 8), размещенного в емкостной измерительной ячейке частотно-задающей цепи генератора высокой частоты, включающей измерение частоты через равные промежутки времени, изменения геометрии ячейки за счет последовательного включения в частнотно-задающую цепь электродов в различных сочетаниях, для которых определяют отношение изменение частоты к текущему значению частоты, расчет параметров электролита по частоте из наименьшего из них.

Недостатком этого способа является низкая оперативность, связанная с перебором всех комбинаций многозвенной ячейки и низкая достоверность измерений из-за применения только одной модели измерительной ячейки и дополнительного преобразования сигнала.

Известно устройство для определения концентрации электролита ( Усиков С. В. Электрометрия жидкостей. Л.:Химия, 1974, с.95-98.), состоящее из генератора высокой частоты, в резонансный контур которого включена емкостная измерительная ячейка, устройства регистрации.

Недостатком этого устройства являются малая точность и оперативность, которые связаны с настройкой контура в резонанс, недостаточно широкий диапазон измерений, ограниченный резонансной частотой одной ячейки.

Известно устройство (Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. М. : Химия, 1980, с. 9-13.), состоящее из генератора высокой частоты, в цепь которого включена многозвенная емкостная измерительная ячейка.

Недостатком данного устройства является низкая точность, ограниченный диапазон измерений, так как каждая ячейка работает только в своем диапазоне, достаточно большое время на проведение одного эксперимента, связанное с введением перемычек для последовательной коммутации во времени электродов многозвенной ячейки.

За прототип принято устройство ( Патент РФ N 2011983, G 01 N 27/02, 1994, бюл. N 8), состоящее из генератора высокой частоты, в частотно-задающую цепь которого, с помощью - двунаправленного мультиплексора, включена многозвенная емкостная ячейка, и микропроцессора, вход которого подключен к генератору, а выход к мультиплексору.

Недостатком данного устройства является большое время проведения эксперимента из-за измерения частоты сигнала для всех возможных комбинаций электродов многозвенной ячейки и ограниченный диапазон измерений, связанный с применением электролитической ячейки одного типа.

Целью предлагаемого технического решения является повышение оператичности определения характеристик электролитов и достоверности измерений.

Цель достигается тем, что: 1. В способе определения концентрации электролита, размещенного в многозвенной ячейке, включающем облучение ячейки электрическим сигналом, изменение конфигурации ячейки за счет последовательного включения пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях через равные промежутки времени, в отличие от прототипа, ячейку подключают к выходу стабилизированного генератора высокой частоты, контролируют амплитуду сигнала на выходе ячейки, при достижении заданного значения амплитуды по коду конфигурации идентифицируют искомую концентрацию электролита.

2. В устройстве для определения концентрации электролита, содержащее многозвенную ячейку, стабилизированный генератор высокой частоты, мультиплексор, микропроцессор, выход которого соединен с адресными входами мультиплексора, информационные входы последнего подключены к выводам многозвенной ячейки, дополнительно введен компаратор, вход которого соединен с выходом мультиплексора, выход подключен к микропроцессору, а многозвенная ячейка соединена с выходом генератора высокой частоты.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых решений. Наличие совокупности существенных признаков обеспечит повышение оперативности определения характеристик электролитов и достоверности измерений.

На фиг. 1 и 2 в качестве примера приведена физическая модель многозвенной емкостной ячейки и ее эквивалентная схема замещения, поясняющая сущность способа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Исследуемый раствор электролита с удельной электрической проводимостью κ_ij функционально связанной с концентраций , помещают во внутреннюю полость B многозвенной ячейки (фиг. 1). Последовательно включают ее пары электродов в различных сочетаниях p=ij (где i=j; ) на выходе генератора высокой частоты. Например: 1-2; 1-3; 1-4; 1,2-3,4; 1,2-4,5; 1,2-5,6 и так далее. Общее число всех возможных сочетаний , где m=2.

Осуществляя вышеуказанную последовательность действий, меняют тем самым геометрические параметры ячейки, то есть усиливают или исключают действие отдельных элементов эквивалентной схемы замещения ячейки (фиг. 2).

Рассмотрим эквивалентную схему замещения ij ячейки, состоящую из активного сопротивления раствора R_ij емкости, определяющейся диэлектрической проницаемостью раствора C2_ij, емкости стенок сосуда C1_ij, константы ячейки K_ij, толщины стенок ячейки d, расстояния между электродами lcp_ij, абсолютной диэлектрической проницаемости E₀, диэлектрической проницаемости материала стенок ячейки E₁, эффективной площади внутренних обкладок S1_ij, эффективной площади внешних электродов S2_ij.

Параметры схемы определяются следующими выражениями .

Комплексное сопротивление эквивалентной схемы замещения (фиг. 2) равно , где i - мнимая единица; .

Полный импеданс ячейки Z, определяющий амплитуду сигнала на выходе, равен: .

Из формулы (6) следует, что импеданс Z зависит от величин R, ω , C1_ij, C2_ij. В предлагаемом способе ω =const , R определяется проводимостью раствора, а C1_ij и C2_ij - способом включения электродов многозвенной ячейки, то есть кодом N_ij коммутатора. Таким образом Z = ϕ(κ, N_ij) (7) .

А проводимость и концентрацию раствора электролита можно определить по значениям импеданса Z и кодом коммутатора N_ij. В предлагаемом способе не измеряют значения Z, а производят контроль амплитуды сигнала с выбранным пороговым значением. Поэтому Z=const.

Следовательно
.

Сложность зависимостей (5) и (6) не позволяет получить значение проводимости (8) в явном виде, поэтому в качестве зависимости (8) предлагается использовать аппроксимацию градуированной характеристики.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Устройство состоит из стабилизированного генератора 1 высокой частоты, многозвенной ячейки 2, мультиплексора 3, компаратора 4, микропроцессора 5.

Генератор 1 предназначен для облучения ячейки 2 токами высокой частоты.

Мультиплексор 3 необходим для коммутации в различных сочетаниях электродов многозвенной ячейки 2.

Компаратор 4 предназначен для контроля амплитуды сигнала на выходе ячейки 2.

Микропроцессор 5 необходим для управления мультиплексором 3, а также калибровки, нормировки и расчета характеристик электролита.

Устройство работает следующим образом. Ячейка 2 облучается сигналом, вырабатываемым генератором 1, с фиксированной частотой f_обл. и амплитудой A₀. При прохождении сигнала через ячейку 2 амплитуда падает до значения A_x, так как каждому значению концентрации соответствует свой импеданс Z_ij, а значит и амплитуда A_ij. Микропроцессор 5, коммутируя электроды ячейки 2, подбирает конфигурацию ячейки 2, добиваясь получения заданного значения импеданса Z_зад., что контролируется с помощью компаратора 4. По коду конфигурации N_ij рассчитывается искомая концентрация электролита.

Докажем эффективность предлагаемого решения по отношению к прототипу.

По оперативности:
Количество измерений в ходе эксперимента для прототипа равняется количеству комбинаций n многозвенной ячейки. При данном способе для эксперимента достаточно произвести от 1 до n измерений в зависимости от электропроводности электролита. Если плотность распределения значений электропроводности равномерна, то время эксперимента сокращается вдвое.

В связи с заменой измерения частоты на контроль амплитуды сокращается время одного измерения. Среднее время срабатывания компаратора составляет t₁=150 нс при погрешности δ менее 0,1%. Для достижения такой точности измерений частоты потребуется m двоичных разрядов:
.

При частоте сигнала f=1 Мгц время измерения составит t₁ - для предлагаемого решения и t₂ - для прототипа.

.

Таким образом, время одного измерения сокращается не менее чем в 6 тыс. раз, а время эксперимента - не менее чем в 13 тыс. раз.

По достоверности:
Эффективность предлагаемого решения
,
где Q₁ - достоверность измерений предлагаемого решения; Q₂ - достоверность измерений прототипа.

Достоверность определяется числом моделей, отражающих эксперимент. Для прототипа существует единственная модель - ячейка емкостного типа. Поэтому Q₂ = 1.

Для предлагаемого решения, благодаря включению ячейки на выходе генератора, возможно применение индуктивных и емкостных ячеек параллельного и последовательного типа, поэтому Q₁ = 4.

.

Таким образом, достоверность измерений предлагаемого решения повышается в 4 раза. Что, в итоге, повышает во столько же раз гибкость. Расширяется номенклатура применяемых решений и диапазон измерений за счет применения ячеек разного типа.

Реализация способа осуществлена в кондуктометре "ТЕМП-078" на базе персонального компьютера "Сириус" с трехшинной архитектурой и микропроцессором Z-80. Генератор и компаратор выполнены на основе ИМС серии 564. Многозвенная емкостная ячейка с 5-ю кольцевыми электродами из медной фольги:
Диаметр ячейки D, мм - 24
Толщина стенок ячейки d, мм - 2
Высота электродов h, мм - 20
Расстояние между электродами lcp_ij, мм - 7
Результаты экспериментов, проведенных на модельных растворах NaCl с бесконтактной кондуктометрической ячейкой, представлены на фиг. 4.

Таким образом, контроль концентрации по коду с помощью предлагаемого кондуктометра с коммутатором и соответствующими преобразователями, в отличие от известных решений, повышает достоверность измерений в 4 раза и сокращает время измерения не менее чем в 13 тыс. раз.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации электролита, размещенного в многозвенной ячейке, включающий облучение ячейки электрическим сигналом, изменение конфигурации ячейки за счет последовательного включения пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях через равные промежутки времени, отличающийся тем, что подключают ячейку к выходу стабилизированного генератора высокой частоты, контролируют амплитуду сигнала на выходе ячейки, по достижении заданного значения амплитуды по коду конфигурации идентифицируют искомую концентрацию электролита.

2. Устройство для определения концентрации электролита, содержащее многозвенную ячейку, стабилизированный генератор высокой частоты, мультиплексор, микропроцессор, выход которого соединен с адресными входами мультиплексора, информационные входы последнего подключены к выводам многозвенной ячейки, отличающееся тем, что введен компаратор, вход которого соединен с выходом мультиплексора, выход подключен к микропроцессору, а многозвенная ячейка соединена с выходом генератора высокой частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4