Свч-способ определения концентрации электролита и устройство для его реализации

 

Способ определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь управляемого СВЧ-генератора частоты, включает изменение частоты через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по изменяемой частоте, причем ячейку выполняют в виде цилиндрического объемного резонатора, в котором возбуждают электромагнитное колебание типа H011, начинают впуск электролита в заданный объем резонатора, постоянно настраивают частоту СВЧ-генератора на собственную резонансную частоту колебания H011 резонатора, измеряют амплитуду выходного сигнала ячейки на резонансной частоте, при достижении амплитуды значения нормированного порога, при котором наблюдается максимальная чувствительность, прекращают впуск электролита и по измеренной резонансной частоте рассчитывают концентрацию электролита. Устройство для реализации способа содержит ячейку в цепи управляемого СВЧ-генератора частоты, микропроцессор, компаратор, цифроаналоговый преобразователь, исполнительный механизм для управления впуском-выпуском электролита и давления в ячейке, которая выполнена в форме цилиндрического объемного резонатора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому выходу микропроцессора, вход которого соединен с выходом компаратора, второй выход - с входом управляемого СВЧ-генератора частоты, а третий выход через исполнительный механизм - с управляющим входом ячейки. Управляемый СВЧ-генератор частоты включает в себя задающий генератор и программно-управляемую частотно-задающую цепь, состоящую из варикапа и закороченной длинной линии переменной длины, соединенной через мультиплексор со старшими разрядами управляющего входа управляемого СВЧ-генератора частоты, младшие разряды которого через цифроаналоговый преобразователь соединены с электродами варикапа. Технический результат заключается в повышении чувствительности, расширении диапазона измерения и функциональных возможностей. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемые изобретения относятся к физико-химическим исследованиям и могут быть использованы в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известен амплитудно-частотный способ определения концентрации электролита (см. кн. Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. М. : Химия, 1980, с. 9-13), размещенного в емкостной измерительной ячейке (ЕИЯ) с n звеньями резонансной частотнозадающей цепи генератора высокой частоты (ГВЧ), и подбора резонансной частоты по амплитудно-частотной характеристике, включающей изменение частоты и напряжения через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по изменяемой частоте.

Недостатком этого способа являются низкие точность и оперативность, связанные с заменой одной ЕИЯ 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, то есть по амплитуде.

Наиболее близким является способ определения концентрации электролита (см. Патент РФ, N 2011983, G 01 N 27/02, 1994, Бюл. 8), размещенного в многозвенной ячейке частотно-задающей цепи генератора высокой частоты, включающий изменение частоты через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по изменяемой частоте, изменение геометрии ячейки за счет последовательного включения в частотно-задающую цепь пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях, определение отношения изменения частоты к текущему значению частоты и определение концентрации электролита по частоте из наименьшего отношения.

Недостатками этого способа являются относительно узкий диапазон измерения удельной электропроводности, а также крайне неравномерное распределение чувствительности выходного сигнала к изменению электропроводности.

Известно устройство для определения концентрации электролита (см. кн. 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 являются низкая точность, ограниченный диапазон измерения, 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 (см. Патент РФ, N 2011983, G 01 N 27/02, 1994, Бюл. 8), состоящее из многозвенной ячейки, генератора высокой частоты, двунаправленного мультиплексора и микропроцессора.

Недостатком данного устройства являются низкая и неравномерная чувствительность и ограниченный диапазон измерения.

Предлагаемые изобретения направлены на повышение чувствительности, расширение диапазона измерения и функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что: в способе определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь управляемого генератора частоты, включающем изменение частоты через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по изменяемой частоте, в качестве управляемого генератора частоты используют СВЧ-генератор частоты, ячейку выполняют в виде цилиндрического объемного резонатора, в котором возбуждают электромагнитное колебание типа H011, начинают впуск электролита в заданный объем резонатора, постоянно настраивая частоту управляемого СВЧ-генератора частоты на собственную резонансную частоту колебания H011 резонатора, измеряют амплитуду выходного сигнала ячейки на резонансной частоте, при достижении амплитуды значения нормированного порога, при котором наблюдается максимальная чувствительность, прекращают впуск электролита, и по измеренной резонансной частоте рассчитывают искомую концентрацию электролита; в способе по п. 1 дозируют объем электролита с измеренной концентрацией; в устройстве для определения концентрации электролита, содержащем ячейку в цепи генератора управляемой частоты и микропроцессор, в качестве управляемого генератора частоты используют управляемый СВЧ-генератор частоты, дополнительно вводят компаратор, цифроаналоговый преобразователь, исполнительный механизм для управления впуском-выпуском электролита и давления в ячейке, которая выполнена в форме цилиндрического объемного резонатора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому выходу микропроцессора, вход которого соединен с выходом компаратора, второй выход - со входом управляемого СВЧ-генератора частоты, второй выход - со входом управляемого СВЧ-генератора частоты, а третий выход через исполнительный механизм - с управляющим входом ячейки; в устройстве по п.3 управляемый СВЧ-генератор частоты включает в себя задающий генератор и программно-управляемую частотно-задающую цепь, состоящую из варикапа и закороченной длинной линии переменной длины, соединенной через мультиплексор со старшими разрядами управляющего входа управляемого СВЧ-генератора частоты, младшие разряды которого через цифроаналоговый преобразователь соединены с электродами варикапа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: ячейку выполняют в виде цилиндрического ОР, в котором возбуждают электромагнитное колебание типа H011, начинают впуск электролита в заданный объем резонатора, постоянно настраивая частоту f управляемого СВЧ-генератора частоты на собственную резонансную частоту колебания ОР, измеряют амплитуду Ui выходного сигнала ячейки (амплитуда выходного сигнала пропорциональна нагруженной добротности Q цилиндрического ОР) на резонансной частоте, при достижении амплитуды значения нормированного порога Eoj, при котором наблюдается максимальная чувствительность, прекращают впуск электролита и по измеренной резонансной частоте рассчитывают искомую концентрацию.

На фиг. 1 и 2 приведены зависимости, поясняющие сущность способа.

Переменный объем электролита с удельной электропроводностью , функционально связанной с концентрацией, помещают во внутреннюю полость цилиндрического ОР с заданной геометрией (фиг. 3). В ОР возбуждают колебание типа H011. В качестве информационных параметров ОР выступают резонансная частота f и добротность Q нагруженной системы (цилиндрический ОР с переменным объемом электролита). Зависимости f и Q для наиболее высокодобротного колебания H011 для случая горизонтального уровня электролита hт: где
hrc=hт/c - нормированный уровень электролита;
= a/0 - относительная диэлектрическая проницаемость электролита;
- добротность, определяемая потерями энергии в проводящей среде;
Qст - потерями в металлической стенке ОР;
k1, k2, k3, k4 - числовые константы.

На фиг. 1 показано расчетное семейство зависимостей добротности Q ОР проводимости электролита при различных величинах уровня электролита (при = 3, характер зависимостей не меняется при изменении, например, для водных растворов = 80, а меняется лишь величина Q), а на фиг. 2

зависимости чувствительности добротности (или амплитуды выходного сигнала ОР Ui = Q) от величины при разных величинах hrc. Анализ графиков фиг. 1 и 2 показывает, что максимум чувствительности (точки перегиба кривых Q = F2() ) в диапазоне от 10-4 см/м до 1 см/м приходятся на один уровень Q= QSmax, который лишь при <10 см/м функционально зависит от (кривая QSmax=F3 (), см. идентичную кривую Smax=kF3 () на фиг. 2).

Таким образом, алгоритм, описывающий предложенный способ, на максимуме и постоянстве чувствительности в указанном широком диапазоне следующий: непрерывно подавая электролит в цилиндрический ОР, постоянно поддерживая изменением частоты генератора СВЧ ОР в резонансе, измеряют величину Q и при достижении ею величины QSmax = F3 () (т.е. достижении амплитуды выходного сигнала ОР величине нормированного порога, пропорционального QSmax) измеряют резонансную частоту f. Зная зависимость (см. фиг. 1)
(1)
можно получить аналитическую зависимость

и, также, что главное, ей обратную
= F-51(f). (5)
Алгоритм определения функции (5): в точках пересечения кривых F2(hrc,,) (2) (фиг. 1) с кривой QSmax=F3 () каждому уровню hrc ставится в соответствие электропроводность (например, = 10-2 см/м _ hrc= 0,02) ) далее, используя зависимость f = F1(hrc,) (1), каждому уровню hrc ставится в соответствие частота, таким образом, каждой частоте fi соответствует своя электропроводность i при условии постоянства . . При условии постоянства величины электролита величину рассчитывают по f генератора СВЧ.

Вариантом предлагаемого способа является следующий: используя зависимости (5) и (1), можно формировать при известной или измеренной по предлагаемому способу (концентрации) электролита практически обратно ей () пропорциональный объем дозы: впуск электролита в ОР продолжается до момента равенства амплитуды выходного сигнала нормированному порогу, при этом собственная резонансная частота нагруженной системы поддерживается равной частоте управляемого СВЧ-генератора частоты и определяется функцией f=F5 () , в этом случае кондуктомер служит устройством прямого преобразования величины в объем дозы с применением для автоматического титрования.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ, и на фиг. 4 - схема построения программно-управляемого по частоте генератора.

Устройство состоит из цилиндрического ОР 1 с переменным объемом электролита, включенного на выходе СВЧ-генератора 2 с программно-управляемой частотно-задающей цепью 3, организующих управляемый СВЧ-генератор частоты, микропроцессора 4, цифроаналогового преобразователя 5 (ЦАП), компаратора 6, а также исполнительного механизма 7 для управления впуском-выпуском электролита и давления в ячейке, выполненной в виде цилиндрического ОР.

Частотно-задающая цепь 3 содержит закороченную длинную линию 8, варикап 9, мультиплексор 10 для коммутации линии 8 по старшим разрядам микропроцессора 4 и ЦАП 11 для преобразования младших разрядов микропроцессора 4 в управляемое напряжение варикапа 9.

Изменение частоты f ( = 2f) происходит, например, по линейному закону в границах от нижней н до в верхней частоты. Управление генератором 2 осуществляется кодом Ni микропроцессора 4. Старшие разряды кода через мультиплексор 10 изменяют длину закороченной длинной линии 8 (полосковой длинной линии), перестраивая генератор 2 по поддиапазонам. Младшие разряды кода через ЦАП 11 преобразуются в управляющее напряжение, воздействующее на варикап 9, перестраивая плавно генератор 2 внутри поддиапазона. Длинная линия 8 с переменной длиной и варикап 9 включены в частотно-задающую цепь генератора 2, образуя эквивалентные Li и Ci, соответственно шаг дискретности определяется кодом, изменяющимся в пределах {Nmin,Nmax} с дискретой N = 1, соответствующим { н,в} частотам диапазона с нормой . Исходя из погрешности изменения частоты = / и кода N = N/Nmin, вычисляются значения
Nmax = в/ и Nmin = н/ ,
т.е. код Ni= i/. Текущая частота i генератора 2 зависит от параметров Li, Ci частотно-задающей цепи 3:

Задавая погрешность дискретизации частоты = /0, код Ni вычисляется как
Ni = (i)-1. (6б)
Микропроцессор 4 управляет частотой генератора 2 через код Ni и погрешность , изменяет напряжение на ЦАП 5 для регистрации (или задания) концентрации (объема, удельной электропроводности) по измеряемой частоте резонанса, а также служит для расчета, коррекции и колировки идентифицируемых характеристик электролита.

ЦАП 5 служит для преобразования кода Nj в пороговое напряжение Eoj для задания (или измерения) нормированного объема (концентрации) электролита в ОР 1. ЦАП 5 включен с другими блоками устройства в следящую обратную связь и организует сенсорный аналого-цифровой преобразователь. На выходе ЦАП 5 из кода Nj и опорного напряжения формируется микропроцессором 4 управляемое напряжение уставки

Компаратор 6 выполняет функцию амплитудного детектора и сравнивает с уставкой Eoj детектируемое напряжение Ui на выходе ячейки 1. При равенстве Ui= Eoj на выходе компаратора 6 формируется импульс управления i микропроцессором 4 по условию:

В момент неравенства напряжений низкий потенциал логического нуля инициирует изменение кода Ni микропроцессора 4 по программе, а при появлении потенциала высокого уровня логической единицы в момент равенства напряжений интерфейсные программы прерываются и в микропроцессоре регистрируются коды Ni, Nj для расчета искомых характеристик. После идентификации параметров исследуемого электролита по соответствующим программам осуществляется j-ый цикл измерения. Каждый цикл измерения содержит i-циклов взвешивания при фиксации кода Nj, а при задании кода Ni измерение i-ого цикла включает j-циклов взвешивания.

Рассмотрим работу устройства на примере первого режима.

В исходном состоянии в j-ом цикле на выходах микропроцессора 4 формируются коды уставки Nj и управления частотой i генератора 2 - Ni.

В режиме диагностики для контроля состояния функционирования работоспособности определяются (задаются) значения частоты 0 для пустой ячейки посредством нормировки значений Ni в i-ых циклах и Nj в j-ых циклах. При необходимости осуществляется калибровка исходных значений (Ni,Nj, 0) в процессе поверки на растворах с нормированными характеристиками при заданных объемах vj заполнения ячейки 1.

В режиме калибровки полученные значения 0ij частот запоминаются в ОЗУ микропроцессора 4 и принимаются в качестве нормированных значений для ij-ого цикла измерений.

В j-ом цикле измерения ОР 1 заполняется vj-ым объемом исследуемого раствора электролита с соответствующим значением концентрации. Микропроцессор 4 управляет частотой i генератора 2 по линейному закону кодом Ni. Частота генератора 2 последовательно изменяется от до i-ого значения частоты, соответствующего резонансу исследуемого электролита с Cj-ой концентрацией (при vj-ом объеме заполнения ячейки 1). Шаг дискретизации частоты определяется единичным разрядом кода Ni с погрешностью .
На выходе ОР 1 детектируется напряжение амплитудой Ui. При достижении Ui значения, равного напряжению уставки Eoj, компаратор переключается в состояние логической единицы, интерфейсные программы прерываются, а в ОЗУ микропроцессора 4 регистрируется код Nim, соответствующий частоте настройки цилиндрического ОР. При этом для j-го цикла измерения рассчитываются искомые параметры электролита.

Значение напряжения уставки Eoj определяется в процессе калибровки из соотношения

Qпуст - добротность пустого ОР; - коэффициент пропорциональности.

Код уставки Nj из (7) и (9) равен
.

При попадании трех отчетов частоты в полосу пропускания пустого ОР код уставки Nj через погрешность с учетом = /0; пп = 0/Qпуст= 0/2QSmax= 0/2E0j и (7) имеет вид

и связан с кодом (см. (6.б))

Нормированные параметры в микропроцессоре 4 функционально взаимосвязаны и рассчитываются по соответствующим алгоритмам.

Исполнительный механизм 7, управляемый микропроцессором 4, осуществляет впуск-выпуск электролита и создает разряжение в ячейке в момент впуска и избыточное давление в момент выпуска электролита.

Эффективность предлагаемых изобретений выражается:
1. в расширении диапазона измерений. В прототипе он равен одному порядку изменения электропроводности, для предлагаемого технического решения, с учетом теоретических и экспериментальных исследований, - три порядка изменения ;
2. в увеличении чувствительности за счет большей добротности нагруженной системы. Добротность цилиндрического ОР как системы с рассредоточенными параметрами примерно на два порядка выше добротности колебательной системы с сосредоточенными параметрами прототипа;
3. в увеличении функциональных возможностей - возможность дозирования электролита по известной или измеренной электропроводности, наряду с измерением концентрации, как в прототипе;
4. в постоянстве чувствительности выходного сигнала к изменению измеряемой величины на несколько порядков (фиг. 2).

Способ апробирован на экспериментальной установке (фиг. 3), содержащей цилиндрический ОР, изготовленный из меди:
Диаметр ОР мм - 70
Высота ОР мм - 100
Резонансная частота колебания пустого ОР, ГГц - 3,7
В качестве проводящей среды использовались модельные растворы KaCl. Измерения заключались в измерении резонансной частоты и добротности нагруженной системы при различных уровнях и электропроводностях электролита:
Q = fрез/f 0,707 .
Эксперимент показал, что постоянство и максимум чувствительности, при заданных размерах ячейки, приходится на диапазон от 10-4 см/м до 10-1см/м (фиг. 1). Несовпадение с теоретическим диапазоном измерения объясняется дисперсией электропроводности водных растворов и трудностью реализации очень малых уровней (менее 0,01с).

Реальные графики по сравнению с фиг. 1 полностью совпадают по характеру, но максимальная добротность пустого ОР практически в 1,7 - 1,9 раза меньше за счет потерь энергии на вывод ее из резонатора.

Таким образом, за счет предложенной совокупности действий и реализирующего их устройства, в отличие от известных технических решений, существенно расширяется диапазон измерения концентрации электролитов при постоянстве и максимуме чувствительности выходного сигнала к измеряемой концентрации и расширяются функциональные возможности за счет дозирования.

1. Способ определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь управляемого генератора частоты, включающий изменение частоты через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по изменяемой частоте, отличающийся тем, что в качестве управляемого генератора частоты используют СВЧ-генератор частоты, ячейку выполняют в виде цилиндрического объемного резонатора, в котором возбуждают электромагнитное колебание типа Н011, начинают выпуск электролита в заданный объем резонатора, постоянно настраивая частоту управляемого СВЧ-генератора частоты на собственную резонансную частоту колебания Н011 резонатора, изменяют амплитуду выходного сигнала ячейки на резонансной частоте, по достижении амплитуды значения нормированного порога, при котором наблюдается максимальная чувствительность, прекращают выпуск электролита и по измеренной резонансной частоте рассчитывают искомую концентрацию электролита.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дозируют объем электролита с измеренной концентрацией.

3. Устройство для определения концентрации электролита, содержащее ячейку в цепи генератора управляемой частоты и микропроцессор, отличающееся тем, что в качестве управляемого генератора частоты используют управляемый СВЧ-генератор частоты, дополнительно введен компаратор, цифроаналоговый преобразователь, исполнительный механизм для управления впуском-выпуском электролита и давления в ячейке, которая выполнена в форме цилиндрического объемного резонатора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому выходу микропроцесса, вход которого соединен с выходом компаратора, второй выход - с входом управляемого СВЧ-генератора частоты, а третий выход через исполнительный механизм - с управляющим входом ячейки.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что управляемый СВЧ-генератор частоты включает в себя задающий генератор и программно-управляемую частотно-задающую цепь, состоящую из варикапа и закороченной длинной линии переменной длины, соединенной через мультиплексор со старшими разрядами управляющего входа управляемого СВЧ-генератора частоты, младшие разряды которого через цифроаналоговый преобразователь соединены с электродами варикапа.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к автоматическому, неразрушающему и экспрессному контролю состава растворов и может найти применение к области электроаналитической химии топлив, объектов окружающей среды и технологий
Изобретение относится к области приборостроения, конструированию измерителей влажности газа, первичным преобразователем которых служит электролитический влагочувствительный элемент (ЭВЧЭ), и может найти применение в установках осушения воздуха, в электросвязи для содержания кабелей под избыточным воздушным давлением, а также в технологических процессах, где необходимо поддерживать влажность воздуха на заданном уровне в потоке газа или в замкнутом объеме

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологических исследованиях, для определения содержания растворенных в воде солей и примесей в системах тепловодоснабжения, контроля сточных вод

Изобретение относится к устройствам для измерения свойств жидкостей, в частности удельного электрического сопротивления

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению электрофизических параметров плодов и овощей, и может быть использовано при определении спелости, пригодности к дальнейшему хранению плодов и овощей, содержания в них нитратов и т.д

Изобретение относится к области физики-химических исследований и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности

Изобретение относится к экспериментальной биологии, а более конкретно к стандартизации лабораторных животных

Изобретение относится к средствам определения состояния и классификации биологического материала

Изобретение относится к физико-химическим методам анализа, а именно к способам определения активного оксида кальция, связанного оксида кальция, карбоната кальция и нерастворимого остатка в извести с содержанием оксида магния не более 5% и может быть использовано для непрерывного или периодического контроля ее качественного состава

Изобретение относится к молекулярной физике, преимущественно к исследованиям диэлектрических свойств разбавленных растворов дипольных веществ в недипольных растворителях

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано для контроля и измерения диэлектрических параметров различных сред

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использовано для измерений свойств и параметров материалов, в частности характеристик отражения (поглощения) электромагнитной энергии

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сплошности потоков диэлектрических неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных

Изобретение относится к исследованию объектов, процессов в них, их состояний, структур с помощью КВЧ-воздействия электромагнитных излучений на физические объекты, объекты живой и неживой природы и может быть использован для исследования жидких сред, растворов, дисперсных систем, а также обнаружения особых состояний и процессов, происходящих в них, например аномалий структуры и патологии в живых объектах

Изобретение относится к области исследования свойств и контроля качества полимеров в отраслях промышленности, производящей и использующей полимерные материалы

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может использоваться для томографического исследования объектов и медицинской диагностики при различных заболеваниях человека, а также для лечения ряда заболеваний и контроля внутренних температурных градиентов в процессе гипертермии

Изобретение относится к учету и контролю качества нефти, транспортируемой по трубопроводу, позволяющее учитывать в денежном выражении качество нефти, которое при транспортировке в трубопроводе при смешении нефти, сдаваемой разными производителями, а следовательно, разного качества, приводит к изменению качественных характеристик нефти при сдаче ее потребителям

 

Наверх